基于Actel FPGA的正交解碼方案

隨著電子自動化和智能化的普及，電機的應用場合越來越多，這就使得正交解碼器的應用越來越廣泛。數控系統中如機器人、測量儀器、數控機床等領域中。用光柵傳感器、旋轉編碼器、激光陀螺進行位置檢測和位置定位。這類測量系統的輸出一般為兩路相位差90°的正交脈沖信號，通過該正交解碼方案可從正交信號中獲得測量系統所需要的位移或角位移等測量數據，從而構成閉環系統實現運動控制算法。

本文主要介紹采用高可靠性、低成本的Actel PPGA來實現正交解碼系統，為大家提供一種正交解碼的實現方案。傳統MCU一般只支持一至兩路正交解碼，本方案是為了滿足用戶對多路正交解碼以及特殊功能需求而設計，同時結合了Actel FPGA單芯片、上電即行、低成本、低功耗、高安全性和高可靠性的優點，使得正交解碼系統在傳統的MCU實現方式上得以衍生，可以應用在各種不同需求的場合。本文以單路功能介紹為主，多路僅是在單獨基礎上的重復。

1概述

(1)功能概述

·支持位置捕獲和速度檢測：

·支持正交相位模式和時鐘／方向模式；

·根據需要可設計支持16、24、32位位置計數模式；

·支持正交錯誤、方向改變、索引檢測等三種中斷方式；

·根據需要可設計成對多路正交信號進行解碼，實現多路正交解碼；

·支持一路串口收發、地址管理、片選控制和AB相濾波處理等操作；

·系統頻率為70MHz，超過一般MCU的采樣頻率；

·資源占用率低。單路24位模式、支持中斷控制、支持正交相位和時鐘／方向模式、支持位置捕獲的正交解碼可用Actel的A3P030實現，多路可用A3P060及以上器件實現，具體資源占用情況與實際功能需求有關；

·FPGA的可編程性使得功能設計非常靈活，可以根據用戶需求定制特殊功能；

·真正完美的單芯片、低成本、低功耗解決方案；

·ActelFPGA的FlashLock和AES雙重加密，保護您的設計；

·Actel FPGA的固件錯誤免疫使得系統可以工作于較惡劣的環境中，可靠性極高。

(2)系統框圖

圖1是基于Actel FPGA的正交解碼系統結構圖。該正交解碼系統采用模塊化設計，主要由方向識別、地址管理、位置捕獲、速度捕獲、中斷控制和串口收發等模塊構成。萁中，方向識別模塊主要完成將外部輸入的A、B相信號進行細分和辨向：地址管理模塊用于管理系統內部的寄存器地址：位置捕獲模塊用于跟蹤外部電機的旋轉位置：速度捕獲模塊用于檢測外部電機的旋轉速度：中斷控制模塊用于管理正交錯誤中斷、方向改變中斷、索引檢測中斷的使能和觸發：串口收發模塊主要用于本系統與PC機、以及本系統與MCU之間的數據傳輸。

按照接口類別劃分，可以把整個系統的接口分為：基本接口、地址接口、數據接口、控制接口、串口接口、正交接口等。詳細的接口信息如表1所示。

2各功能模塊介紹

(1)方向識別模塊

方向識別模塊只有在正交相位模式時才會用到，而在時鐘／方向模式時不會用到，除此之外，兩種模式完全一樣。在正交相位模式中，編碼器產生兩個相位差為90度的時鐘信號，它們的邊沿關系被用來確定旋轉的方向。設A相超前時為正向計數，則B相超前時為反向計數。由圖2和圖3兩個正交信號時序網可以得出，正向時AB狀態分別以01、00、10、11循環出現。我們人為對這幾個狀態編號使AB狀態為0l時對應1：AB狀態為00時對應2；AB狀態為10時對應3；AB狀態為11時對應4。不難得到正向計數時、對應自然數的變化規律為1、2、3、4、1、2、3、4……循環變化，下一狀態減去前一狀態所得到的值只有兩種情況(1或是，3)。同理，反向計數時AB狀態變化對應的自然數為3、2、1、4、3、2、1、4……循環變化，下一個狀態減去前一個狀態所得到的值也只有兩種情況(－1或是3)。通過下一狀態和前一狀態的差值可以判斷出正交信號的方向信息。

(2)位置捕獲模塊

位置捕獲模塊的核心部分是根據A、B相的邊沿進行可逆計數。在正交相位模式下，A相的邊沿超前B相的邊沿時，位置計數器在每檢測到一個邊沿就加1；A相的邊沿落后B相的邊沿時，位置計數器在每檢測到一個邊沿就減1。

在時鐘／方式模式下，編碼器產生一個時鐘信號和一個方向信號來分別表示步長和旋轉方向，當方向信號為高電平時，位置計數器在每檢測到一個邊沿就加1；當方向信號為低電平時，位置計數器在每檢測到一個邊沿就減1。具體的時鐘／方向信號如圖4所示。

(3)地址管理模塊

地址管理模塊包括寫寄存器地址管理和讀寄存器地址管理。寫寄存器地址管理主要是根據MCU發送的寫寄存器地址來進行相應寄存器的更新。讀寄存器地址管理主要是根據Mcu發送的讀寄存器地址來把相應的寄存器值傳送到數據接口。典型的讀寫操作時序如圖5和圖6所示。

(4)速度檢測模塊

在該正交解碼系統中，速度檢測采用定時一分鐘，并在一分鐘內檢測A、B相的邊沿個數，MCU通過讀取速度寄存器的值就可以得知一分鐘內的邊沿數，從而變相測出速度值。實際定時時間可根據需要進行設定。

(5)中斷控制模塊

該正交解碼系統支持正交錯誤、方向改變、索引檢測三種中斷方式。每個中斷都有相應的中斷使能位和中斷標志位。只有在中斷被使能時，中斷條件滿足時才會產生相應中斷。當中斷標志位為1時，通過向該中斷標志位寫1可清除中斷標志位，否則中斷標志位一直保持。

(6)串口收發模塊

該正交解碼系統中，串口發送模塊的功能是：當MCU判斷FPGA當前沒有數據發送時，可以發送數據給FPGA的串口寄存器，FPGA再把相應的數據通過串口發送給PC機。串口接收模塊的功能是：當PC機通過串口發送數據給FPGA時，FPGA接收數據并置數據標志位，并通知MCU把數據讀走。由此看出，FPGA在PC機和MCU之間起數據鏈路的作用。

3市場應用

正交解碼器在電機控制市場占有率較大，它主要用于一些需要電機控制的數控系統中，如機器人、測量儀器、數控機床、軌道控制、自動化生產線等領域。隨著電子自動化和智能化的普及，電機的應用場合越來越多，這也使得正交解碼器的應用越來越廣泛。該正交解碼系統的典型應用如圖7所示。

4小結

本文主要介紹了基于Actel FPGA的正交解碼系統的功能和應用。敬請關注周立功公司的網站www.zlgmcu.com以獲得更多的信息。我們有著一個接近30人的FPGA團隊提供強有力的售后服務和技術支持，解決用戶在產品使用和研發過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯系，我們將會竭誠為您服務，并請關注下期的FPGA專題技術講座。