TMS320F2812擴展正交解碼脈沖接口的設(shè)計

在機器人和其他精密儀器的控制系統(tǒng)中，位置檢測是需要解決的重要問題之一，位置檢測的精度和穩(wěn)定性對控制系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用。計量光柵傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光陀螺等測量系統(tǒng)的輸出一般為兩路相位差90°的正交解碼脈沖信號。根據(jù)正交解碼信號之間相位的超前與滯后關(guān)系，把正交信號轉(zhuǎn)換為另外兩路信號，分別為代表正交信號任一路脈沖數(shù)的脈沖序列以及代表正交信號相位關(guān)系的控制信號。它們分別送到可逆計數(shù)器的計數(shù)輸入端和加／減控制端。根據(jù)可逆計數(shù)的結(jié)果可獲得測量系統(tǒng)所需要的位移或角位移等測量。在輪式移動機器人運動控制系統(tǒng)中常用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測車輪的速度和角度，從而構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)運動控制算法。一般微處理器不帶正交解碼脈沖接口，而一些專為控制電機推出的DSP，如TI公司的C24x、C27x、C28x系列只提供了兩路正交解碼脈沖接口，且是與捕捉功能復(fù)用的，不能滿足檢測兩個以上位置的需要，因此設(shè)計開發(fā)解碼器與微處理器的接口具有重要的應(yīng)用價值。

2 HCTL-2032介紹

HCTI-2032是Avago公司生產(chǎn)的CMOS專用集成電路，集噪聲濾波、正交解碼、可逆計數(shù)、總線接口于一體，可大大改善測量系統(tǒng)的性能。相比HCTI-2022而言，HCTL-2032可接收兩路正交解碼脈沖，并且增加了接收基準信號，時鐘周期達33MHz，不僅節(jié)省了電路設(shè)計的體積，而且提高了測量精度和處理數(shù)據(jù)的速度。

2.1 功能

HCTL-2032的引腳排列如圖1所示，HCTL-2032可以將光電編碼器輸出的波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入微處理器，兩路輸入引腳CHAx、CHAv、CHIx和CHBx、CHBy、CHIy經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形濾波后，通過設(shè)置EN1、EN2的值選擇采用4×、2×、1×計數(shù)模式，而后送入32位二進制計數(shù)器對采集的正交波計數(shù)，由于輸出數(shù)據(jù)線只有8位，因此32位的數(shù)據(jù)需要通過改變控制線SEL1、SEL2、OE的值分四次依次讀出。

2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

HCTL-2032內(nèi)部包括數(shù)字濾波器、正交解碼邏輯、位置計數(shù)器、總線接口，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2.1 數(shù)字濾波器

HCTL-2032的輸入部分包括施密特觸發(fā)器與數(shù)字延遲濾波器，用于抑制混入正交信號的噪聲。正交信號通過施密特觸發(fā)器后，必須保持3個上升沿才能通過數(shù)字濾波器，小于1 V的低電平噪聲被濾除。余下的高電平、短持續(xù)時間噪聲脈沖通過數(shù)字濾波器濾除。

2.2.2 正交解碼

HCTL-2032提供了1×、2×、4×三種可選解碼方式，解碼方式的選擇由EN1、EN2的組合值控制，正交輸入相鄰跳變沿之間二者的電平狀態(tài)有四種：10、11、01、00。當選擇4×模式時，在一個周期內(nèi)正交解碼器在時鐘上升沿采樣四種狀態(tài)進行計數(shù)，同理，當選擇2×和1×模式時，在一個周期內(nèi)正交解碼器在時鐘上升沿分別采樣兩種、一種狀態(tài)進行計數(shù)。每監(jiān)測到一次狀態(tài)變化，在CNTDEC引腳輸出一個寬度為半個時鐘周期的正脈沖。同時給出狀態(tài)轉(zhuǎn)移方向信號，U／D=1，表明A相超前B相。反之B相超前A相。圖中同時還給出計數(shù)器溢出時的級聯(lián)信號CNTCAS。正交解碼器對信號與時鐘的要求為tES＞tCLK。

2.2.3 32位二進制計數(shù)器與32位鎖存器

正交解碼采集的脈沖輸入32位增／減計數(shù)器，在時鐘的上升沿計數(shù)，計數(shù)值送入32位鎖存器，使用時通常有以下幾種情況：

(1) 計數(shù)范圍在32位計數(shù)器計數(shù)值范圍之內(nèi)，計數(shù)值代表絕對位置。

(2) 統(tǒng)作往返周期運動且每周計數(shù)值小于32位時，可由RST每個周期復(fù)位一次計數(shù)器。

(3) 統(tǒng)也可用作8、16、24、32位計數(shù)，這時兩次讀取的計數(shù)差代表絕對位置，系統(tǒng)絕對位置可由系統(tǒng)軟件計算，但是計數(shù)器會上溢或下溢，為了防止位置信息丟失，必須保證每次計數(shù)差不超過計數(shù)器最大計數(shù)的一半，即8位，16位，24位，32位分別應(yīng)該在127，32 767，8 388 607，2 147 483 647內(nèi)讀取數(shù)據(jù)。

(4) 統(tǒng)計數(shù)大于32位時，可用控制端口與其他計數(shù)器構(gòu)成更高位的計數(shù)器，從而得到計數(shù)絕對值，32位鎖存器在非讀數(shù)據(jù)期間的每個上升沿捕捉計數(shù)器的值。在讀取數(shù)據(jù)時，不再捕捉新的數(shù)據(jù)值，保證數(shù)據(jù)的正確性，數(shù)據(jù)讀完后由RST信號將鎖存器清0。

2.2.4 禁止邏輯和總線接口

禁止邏輯在每個時鐘周期的下降沿采樣OE、SEL1和SEL2的值，根據(jù)三個信號不同值的組合分四次從總線接口讀出計數(shù)器的值以及復(fù)位禁止邏輯。

3 與TMS320F2812的接口電路

TMS320F2812是TI公司最新推出的DSP器件。它具有數(shù)字信號處理能力、強大的事件管理能力和嵌入式控制功能、運算速度快、接口資源豐富，適用于具有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合。TMS320F2812只提供了兩個事件管理器EV1和EV2，每個事件管理器模塊都有一個正交編碼脈沖電路QEP1和QEP2，QEP3和QEP4，只接收兩路正交編碼脈沖。TMS320F2812工作電壓是3.3 V，而HCTL-2032工作電壓是5 V，兩者之間不能直接相連，必須采用電平轉(zhuǎn)換器，本設(shè)計采用SN74LVTH245驅(qū)動，同時為了防止負載對DSP的影響，采用雙通道高速光耦HCPL2630進行隔離。硬件電路如圖3所示。

4 軟件設(shè)計

4.1 初始化DSP

DSP的初始化主要包括：工作頻率的設(shè)定、關(guān)閉看門狗、GPIO的設(shè)置等。其代碼如下：

4.2 讀取數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)的讀取分四次完成，依次從高字節(jié)到低字節(jié)讀出，讀取每個字節(jié)定義三個變量：Result、Result_old、Result_new，分別用于存放最終結(jié)果、前一次的讀數(shù)值、下一次的讀數(shù)值。首先DSP從數(shù)據(jù)線上獲得HCTL-2032引腳值。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，DSP將重復(fù)讀取引腳的值，若兩次數(shù)據(jù)相同，則把這個數(shù)作為最終值，反之，則說明數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，繼續(xù)讀取。采用4×解碼模式，讀取x通道數(shù)據(jù)時，讀取數(shù)據(jù)的流程圖如圖4所示。

5 結(jié)束語

HCTI-2032正交解碼器內(nèi)部具有32位計數(shù)器，因此計數(shù)過程由器件本身硬件完成，減輕了CPU的計數(shù)負擔。解碼器與CPU接口方便，非常適合在多軸運動控制系統(tǒng)中擴展編碼器位置檢測接口。