基于光電編碼器礦用轉(zhuǎn)角傳感器的研究

光電編碼器具有響應(yīng)速度快、測量精度高、抗干擾能力強、體積小、工作可靠性好、非接觸測量和便于控制等優(yōu)點，與數(shù)字信號處理器連接，可以實現(xiàn)實時測量，它是自動化設(shè)備理想的傳感器。

一、礦用轉(zhuǎn)角傳感器設(shè)計的總體方案

結(jié)合礦用環(huán)境的特殊性，并根據(jù)光學精密機械與物理研究所的單圈絕對式光電軸角編碼器研究的特點，給出礦用轉(zhuǎn)交傳感器設(shè)計總體結(jié)構(gòu)。對于礦用轉(zhuǎn)角傳感器的信號采集部分，主要由主軸、軸承、基座組成，發(fā)光元件組成照明系統(tǒng)，由線陣CCD組成的信號接收系統(tǒng)。對于光電編碼器的光柵信號處理部分，信號前期處理電路主要包括信號采樣電路和濾波電路；信號處理部分主要包括CPLD（復雜可編程邏輯器件）和信號存儲單元（包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器）；信號輸出部分主要包括并行數(shù)據(jù)接口和串行數(shù)據(jù)接口。

二、單圈絕對式光電軸角編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所研究的基于PCI總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能模塊包括：ADS803E模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、CPLD（EPM7128SQC100

-15）系統(tǒng)邏輯控制模塊（或稱核心時序控制塊）、SRAM（AS7C256-15JC）靜態(tài)存儲器，PCI9052 PCI總線控制。采集系統(tǒng)會將采集到的數(shù)據(jù)自動存入卡上的靜態(tài)存儲器SRAM（AS7C256-15JC）中，等待采樣結(jié)束后，通過PCI總線接口芯片，PCI9052將采集的數(shù)據(jù)從SRAM傳輸?shù)絇CI總線上，所設(shè)計的控制邏輯均由復雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）來完成。其中A/D轉(zhuǎn)換芯片選用ADS803E，它是TI公司生產(chǎn)具有高信噪比（SFR=69dB）、低功耗（115Mw）的12位ADS803E，自帶32K大容量靜態(tài)緩存等優(yōu)點的A/D轉(zhuǎn)換芯片?？梢栽O(shè)置輸入范圍為2VP-P和5VP-P作為內(nèi)置參考電壓，并有一個輸入電壓范圍溢出標志，采用數(shù)字誤差校正技術(shù)，用于尺寸測量、光譜測試與分析、圖像掃描和AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集等。靜態(tài)存儲器采用AS7C256-15JC，它是Alliance Semiconductor公司生產(chǎn)的，最大存儲訪問時間為15ns，每片的存儲容量為32K×8。在初始訪問后，CPU處于空閑、中斷或擴展模式，AS7C256處于節(jié)能狀態(tài)，可節(jié)能25%，并且可以通過CE和OE進行存儲擴展。系統(tǒng)邏輯控制模塊CPLD選用EPM7128SQC100-15芯片，它是Altera公司生產(chǎn)的。在線編程時，該芯片可以通過4個引腳的JTAG接口進行，以便簡化制作程。在本文所設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，CPLD的主要功能包括：時序分頻器、SRAM控制邏輯、地址控制器等等。存儲器數(shù)據(jù)存儲的地址控制是由地址控制器完成的。數(shù)據(jù)由A/D端口寫入SRAM，地址控制器根據(jù)A/D頻率產(chǎn)生遞增的SRAM地址。

三、光電編碼器照明與接收系統(tǒng)設(shè)計

由于單圈絕對式光電軸角編碼器的接收元件有別于傳統(tǒng)的光電軸角編碼器，它是采用線陣CCD作為接收元件，根據(jù)上述原則采用了綠色發(fā)光二極管作為光源。其亮度可通過外接可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)，同時能起到保護發(fā)光二極管組的作用，電路較為簡單。NEC公司生產(chǎn)的μPD3575D是一種高靈敏度、低暗電流、1024像元的內(nèi)置采樣保持電路和放大電路的線陣CCD圖像傳感器，主要用于傳真、掃描和OCR。在它內(nèi)部，包含了一列1024像元的光敏二極管以及兩列525位CCD電荷轉(zhuǎn)移寄存器。在5V驅(qū)動（脈沖）和12V電源條件下，該器件可工作。為了使CCD在光強強弱不同的情況下輸出信號，本文以復雜可編程邏輯器件CPLD為核心的一種新型的可提供多種驅(qū)動脈沖的驅(qū)動電路。MAX十PLUSⅡ開發(fā)環(huán)境下對μPD3575D的驅(qū)動電路進行設(shè)計。在MAX十PLUSⅡ環(huán)境下通過編譯、校驗后進行引腳鎖定。

四、信號采集系統(tǒng)

本文所采用的信號采集方法是通過CCD輸出的視頻信號采樣，量化編碼后再采集到計算機系統(tǒng)。然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊存入靜態(tài)存儲器SRAM，采樣結(jié)束后，通過PCI總線接口芯片，PCI9052將采集的數(shù)據(jù)從SRAM傳輸?shù)絇CI總線上，再通過計算機處理后給出最終結(jié)果。

五、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計

1．系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。本設(shè)計采用C8051單片機，采用24LC01數(shù)據(jù)存儲器，及MAX232數(shù)據(jù)接口芯片共同組成數(shù)據(jù)采集處理單元，采用SJA1000CAN和驅(qū)動控制器PCA80C250作為通信系統(tǒng)。采用愛立信DC/DC電源模塊作為電源部分，將電源轉(zhuǎn)換成+5V工作電壓。

2．軟件設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要實現(xiàn)方位角數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和CAN通信的功能。在軟件設(shè)計中采用多級復位陷阱，較大地減小了死機的概率，從而提高了整個電路系統(tǒng)的抗干擾能力。該系統(tǒng)軟件功能主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、異常處理模塊五部分。數(shù)據(jù)顯示模塊主要完成實時角度顯示，數(shù)據(jù)處理模塊主要完成糾錯功能，數(shù)據(jù)采集模塊主要完成二進制數(shù)據(jù)的編碼譯碼功能，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要完成通過CAN總線的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，異常處理模塊主要完成系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，整個系統(tǒng)可軟件復位。

參考文獻

[1]蔣永平，徐杜，黃尚廉．圓光柵增量式光電軸角編碼器性能自動檢測方法[J]．工具技術(shù)．1995：29（3）：43～46