基于Arduino開發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測儀設(shè)計(jì)方案

　　Arduino是一款基于單片機(jī)系統(tǒng)的電子產(chǎn)品開發(fā)平臺，它的軟硬件系統(tǒng)都具有高度的模塊化，而且軟件系統(tǒng)是完全開源的。其硬件系統(tǒng)也是高度模塊化的，在核心控制板的外圍有開關(guān)量輸入/輸出模塊、各種模擬量傳感器輸入模塊、總線類傳感器的輸入模塊，還有網(wǎng)絡(luò)通信模塊[1-2].Arduino有自己特有的編程語言。其語法規(guī)則類似C/C++語言，IDE環(huán)境和語言把單片機(jī)與硬件相關(guān)的一些參數(shù)都參數(shù)化并進(jìn)行了很好的封裝，把端口都打包，寄存器、地址指針之類的基本不用管，大大降低了軟件開發(fā)難度。因此不用開發(fā)者去了解其硬件結(jié)構(gòu)即可對其編程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖和創(chuàng)意[3].

　　本文提出了一種基于Arduino開發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測儀設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)怆娋幋a器的好壞進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)光電編碼器正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時(shí)的脈沖計(jì)數(shù)。

　　1 整體設(shè)計(jì)

　　該檢測儀主要由調(diào)理電路、Arduino控制板、液晶顯示電路等組成，如圖1所示。

　　CLKA和CLKB為光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的編碼信號。調(diào)理電路用來對這兩路信號進(jìn)行整形濾波等信號處理，最后送至Arduino控制板。Arduino控制板用來實(shí)現(xiàn)光編碼器脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)兩種脈沖信號的判別。液晶顯示電路用來顯示檢測的參數(shù)，同時(shí)對不同型號光電編碼器進(jìn)行選擇控制。

　　2 硬件部分設(shè)計(jì)

　　2.1 調(diào)理電路

　　信號調(diào)理電路用于檢測信號的調(diào)理，主要是把待測交流信號，經(jīng)過濾波、放大、選通、有效值轉(zhuǎn)換、限幅等處理，送到微控制器進(jìn)行測量。

　　圖2為調(diào)理電路框圖，光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的正弦波信號A、B,經(jīng)施密特觸發(fā)器變?yōu)閍、b兩組方波信號。A 分為兩組：一路經(jīng)微分電路，在方波的上升沿形成脈沖信號d,再由門電路輸出，形成正轉(zhuǎn)脈沖，另一路經(jīng)反相器，形成反相方波c,再經(jīng)微分電路形成脈沖信號e,由門電路輸出反相脈沖g.b組方波直接連到兩個(gè)門電路的控制端，作為兩個(gè)門電路的選通信號。

　　光電編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，b組信號超前90°，它的方波正半波對應(yīng)不經(jīng)反相器a組方波的上升沿，正半波又使門電路選通，d組脈沖通過門電路形成正轉(zhuǎn)脈沖;而c組方波的上升沿對應(yīng)b組方波負(fù)半波，此時(shí)雖然微分電路輸出e脈沖，但門電路關(guān)閉，不能輸出反相脈沖g.當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，情況正好相反。最終輸出的脈沖分別送入控制檢測電路進(jìn)行計(jì)數(shù)。

　　2.2 Arduino控制板

　　本檢測儀采用了意大利最新開發(fā)的Arduino Due微控制器。Arduino Due 是一塊基于Atmel SAM3X8ECPU 的微控制器板。它是第一塊基于32 位ARM 核心的Arduino,使用32位ARM核心的Due相較于以往的使用8位AVR核心的其他Arduino更強(qiáng)大：32位核心在一個(gè)時(shí)鐘能處理32位的數(shù)據(jù)?？刂瓢灏?4個(gè)數(shù)字I/O引腳(其中12路PWM輸出)，12個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)模擬輸出通道(DAC)，I/O口總輸出電流為130 mA.3.3 V端口輸出能力為800 mA,5 V 端口輸出能力為800 mA,FLASH 512 KB(所有空間都可以儲存用戶程序)，SRAM96 KB(兩個(gè)部分：64 KB and 32 KB)，時(shí)鐘速率[4-5]為84 MHz.

　　由于Arduino due的工作電壓為3.3 V,I/O口可承載電壓也為3.3 V,所以經(jīng)過調(diào)理電路產(chǎn)生的5 V 脈沖不能直接處理。本檢測儀通過SN74lVC4245 芯片把5 V的脈沖整形為3.3 V的脈沖。

　　2.3 液晶顯示電路

　　本設(shè)計(jì)中采用了國產(chǎn)開發(fā)的可編程智能LCD(即Programmable Smart LCD,簡稱PS-LCD)。PS-LCD 是一種包含LCD顯示屏、LCD控制器、觸摸屏、人機(jī)界面處理系統(tǒng)和通信接口于一體的智能顯示模組，通過可選的通信接口與外部控制單元(如：51單片機(jī)、ARM、DSP、PC、PLC、總線設(shè)備等)連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

　　新建Designer工程，定義界面分辨率、界面切換效果和主界面等;設(shè)置背景、加入/設(shè)置控件、定義事件動作等;PS-LCD的采用Java Script的腳本語言，Java Script是因特網(wǎng)上最流行的腳本語言，它存在于全世界所有Web 瀏覽器中，能夠增強(qiáng)用戶與Web 站點(diǎn)和Web 應(yīng)用程序之間的交互。本液晶顯示屏通過腳本編寫實(shí)時(shí)地顯示微控制器采集送過來的脈沖個(gè)數(shù)，并進(jìn)行判斷。

　　用LCD 模擬器驗(yàn)證界面效果和通信過程，重復(fù)前面步驟直到滿意為止。

　　PS-LCD 作為先進(jìn)的智能人機(jī)界面產(chǎn)品，能通過通信接口輕松靈活地與外部控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。目前，PS-LCD支持兩種通信協(xié)議：CTP(Cooky Talking Pro-tocol)協(xié)議和用戶自定義(UserDefine)協(xié)議。本檢測儀采用的是CTP協(xié)議。

　　在CTP通信模式下，PS-LCD在收到通信命令后，會立刻執(zhí)行，結(jié)束后會向主控制器返回結(jié)果。由于PS-LCD的串口通信協(xié)議跟微控制器Arduino Due的通信協(xié)議不一致，在通信過程中要進(jìn)行轉(zhuǎn)換和控制。為了取消PS-LCD 命令執(zhí)行結(jié)果的自動回復(fù)消息，在CTP 通信模式下，通過調(diào)用ctpSet(“reply”,0)函數(shù)取消PS-LCD 的自動回復(fù)。PS-LCD同時(shí)通過通信協(xié)議產(chǎn)生的串口信號來控制微控制器的工作，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動的效果[6].

　　生成界面輸出文件spf,然后將spf文件通過PS-LCD專用軟件工具Flex下載到PS-LCD驗(yàn)證最終界面效果。

　　本檢測儀PS-LCD最終的檢測界面如圖3所示。

　　3 軟件部分設(shè)計(jì)

　　3.1 脈沖計(jì)數(shù)子程序

　　為了能更加準(zhǔn)確地對脈沖進(jìn)行測試，采用外部中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，Arduino due 控制板的54個(gè)數(shù)字I/O引腳，均可以作為中斷端口。編寫的主要計(jì)數(shù)程序如下[7-10]:

　　3.2 液晶顯示程序

　　根據(jù)所要測試的光電編碼器，選擇不同的型號，不同型號的光電編碼器定義不同的發(fā)送信號，以LBJ-001-2048 型光電編碼器為例，選擇按鈕的腳本編寫子程序如下：

　　其中sysCom0.write(0×41)為寫入串口發(fā)送緩沖區(qū)，串口向外部發(fā)送1 字節(jié)數(shù)據(jù)0×41,即是字符‘A'.當(dāng)Arduino微控板接收到串口送過來的'A’字符時(shí)，即可判斷出待測試的光電編碼器型號為LBJ-001-2048,啟動相對應(yīng)的程序進(jìn)行測試。同理當(dāng)選擇第二種型號測試時(shí)，Arduino微控板將接收到串口送過來的‘B’字符時(shí)，即可判斷出待測試的光電編碼器型號為SE0932II-5400P/r,啟動相對應(yīng)的程序進(jìn)行測試。

　　4 結(jié)語

　　本文著重介紹了基于Arduino開發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測儀的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)Arduino微控板與PS-LCD的通信控制問題。由于Arduino是一個(gè)開放的單片機(jī)開發(fā)人機(jī)互動產(chǎn)品的軟硬件平臺，對于基于Arduino開發(fā)環(huán)境的電子制作競賽、電子藝術(shù)品創(chuàng)意開發(fā)、電子檢測產(chǎn)品等方面具有較好的參考價(jià)值。