在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，對電機的控制是其重要組成部分。編碼器作為電機角位移的檢測裝置，為系統(tǒng)提供重要反饋信號。本文介紹了一個適合嵌入式系統(tǒng)的基于DSP和FPGA的海德漢光電編碼器信號處理通用模塊，能夠測量和處理海德漢公司的高精度增量式編碼器信號和采用EnDat2.2雙向數(shù)字接口的絕對式編碼器信號。經(jīng)使用者的簡單操作，模塊適用于不同位數(shù)、不同類型的海德漢編碼器。該模塊通過實驗、調(diào)試與測試，能有效快速工作，目前已應(yīng)用于實驗用轉(zhuǎn)臺中。

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動控制系統(tǒng)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多，特別是計算機自動控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、軍事工程和現(xiàn)代工業(yè)等領(lǐng)域不可缺少的部分。因而，自動控制元件如作為動力裝置的各種電動機、發(fā)電機和作為信號變換的各種控制電機在各種控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。要對被控對象進行控制，不僅需要控制器和執(zhí)行機構(gòu)，還需要反饋裝置。因此，編碼器作為電機的角度、速度、方向的檢測裝置，也得到了廣泛的應(yīng)用。編碼器又有旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾傳感器和光電編碼器。其中，光電編碼器精度高,抗干擾能力強,接口簡單,使用方便,因而獲得了最廣泛的應(yīng)用[1]。

光電編碼器按編碼方式又主要有增量式編碼器和絕對式編碼器兩大類，前者具有分辨率高、價格較低、接口簡單等優(yōu)點，然而在當今工業(yè)中，無掉電記憶功能又對其應(yīng)用構(gòu)成了很大局限；后者結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、接口數(shù)字化、抗干擾能力強、具有掉電記憶功能，在應(yīng)用中也越來越受重視[2]。

當前市場上，德國海德漢公司的產(chǎn)品種類繁多，具有很好的品質(zhì)保證，被廣泛應(yīng)用于機床、自動化領(lǐng)域，尤其在半導(dǎo)體和電子制造業(yè)等領(lǐng)域。海德漢光電編碼器占有很大市場份額，而與之相配套的解碼設(shè)備不適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。本文針對實驗用轉(zhuǎn)臺使用的海德漢編碼器設(shè)計出了增量式和絕對式的通用數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊具有信號處理速度快、精度高、數(shù)據(jù)準確、應(yīng)用靈活廣泛、使用和調(diào)試方便、成本低廉等優(yōu)點，能很好滿足使用需求。

1 海德漢編碼器概述

1.1 高精度增量式編碼器

增量式編碼器是經(jīng)過光柵將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。其光柵由周期性刻線組成，通過計算自某點開始的增量數(shù)(測量步距數(shù))獲得位置信息。本模塊要測量的高精度海德漢增量式編碼器的光柵上還有刻有距離編碼參考點的軌道，加快參考點回零[3]。下圖1為某帶距離編碼的圓光柵。

圖1帶距離編碼參考點的圓光柵（ERA4480）

這些參考點彼此相距數(shù)學(xué)算法確定的距離。已過三個參考點的兩個脈沖后，后續(xù)電子設(shè)備就能找到絕對參考點。

1.2　高精度絕對式編碼器

絕對式編碼器利用自然二進制、循環(huán)二進制( 格雷碼) 或PRC碼對碼盤上的物理刻線進行光電轉(zhuǎn)換，將連接軸的轉(zhuǎn)動角度量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖序列并以數(shù)字量輸出，其每一個位置對應(yīng)一個確定的唯一的數(shù)字編碼，因而具有掉電記憶功能[4]。

有時，通過位置編碼器獲得位置值的數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)和反饋環(huán)還需要編碼器提供一些附加值。為使系統(tǒng)具有更高可靠性，編碼器還需具有錯誤檢測和診斷功能。海德漢公司的Endat2.2數(shù)據(jù)接口是一種適用于編碼器的雙向數(shù)據(jù)接口，可傳輸絕對式或增量式編碼器的位置值，也能傳輸或更新保存在編碼器中的信息或保存新信息。由于采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式它只需要4條線。數(shù)據(jù)傳輸保持與后續(xù)電子設(shè)備時鐘信號同步。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型（位置值、參數(shù)或診斷信息等）通過后續(xù)電子設(shè)備發(fā)至編碼器的模式指令選擇[5]。

2 硬件設(shè)計

本模塊采用了DSP和FPGA結(jié)合的工作方式。DSP主要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度、重復(fù)運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理。FPGA/CPLD器件一方面可實現(xiàn)硬件上的并行工作，非常適用于實時測控和高速應(yīng)用領(lǐng)域，另一方面物理機制和純硬件電路一樣，十分可靠，尤其是抗強電磁干擾。兩者結(jié)合，可實現(xiàn)寬帶信號處理，速度快且可靠性好[6]。

根據(jù)方案功能需求，設(shè)計模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

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圖2硬件結(jié)構(gòu)圖

圖中，模塊連接器為標準的DB15連接器，通過管腳配置，能相應(yīng)地與增量式編碼器和采用EnDat2.2接口的絕對式編碼器進行信號交流。模塊的收發(fā)單元支持的是RS-485形式，差分信號和單端信號通過接口芯片進行轉(zhuǎn)換。為了提高對高精度增量式編碼器數(shù)據(jù)測量精度，需在同一個增量編碼器上安裝4個讀數(shù)頭，各自測量增量式編碼器數(shù)據(jù)，再合成得到位置值。這樣，板卡上讀取編碼器信號的接口設(shè)置有4個。

FPGA芯片選用賽靈思公司Spartan-3AN系列的XC3S700An,logic cells為10476。

實現(xiàn)：①對增量信號的計數(shù)和參考信號的采集，在進行計數(shù)達到參考碼道的數(shù)據(jù)后，進行增量信號的清零；②對Endat2.2絕對式編碼器位置信號的采集；③在外同步時鐘上升沿到來前，保存計數(shù)處理，把數(shù)據(jù)存儲在雙口RAM中，等待DSP讀取。

本模塊選用的DSP芯片為TI公司的TMS320F28335，主頻可達150MHz。TMS320F28335增加了浮點運算單元，在保持了原有DSP芯片優(yōu)點如強大控制和信號處理能力、C語言編程效率等優(yōu)點的同時，節(jié)省了代碼執(zhí)行時間和存儲空間[7]。F28335通過GPIO端口與XC3S700An連接有4路地址線和16根數(shù)據(jù)線，可以接受16種編碼器信號。模塊中DSP部分開辟參數(shù)存儲區(qū)，在中斷信號到來的時候讀取FPGA中數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)合成，通過SCI串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給主控機箱，電器形式為RS422。

模塊板卡由5V電源供電。