基于增量式光電編碼器位移傳感器研究

王 興，賈曉虎，郝春麗

（1. 太原科技大學(xué) 山西 太原 030024；2.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所 山西 太原 030006；3.陽(yáng)泉市第16中學(xué) 山西 陽(yáng)泉 045000）

傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器大多采用電位器式位移傳感器，它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測(cè)物體相連，物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加與減小則表明了位移的方向。通常在電位器上給定電源電壓，把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反饋元件的時(shí)，則過(guò)大的階躍電壓會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。因此在電位器的制作中應(yīng)盡量減小每匝的電阻值。同時(shí)，電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導(dǎo)致測(cè)量精度下降。

本項(xiàng)目基于增量式光電編碼器原理研制的數(shù)字顯示式拉線式位移傳感器，一方面對(duì)目前拉線式位移傳感的改進(jìn)和完善，其動(dòng)態(tài)范圍大，具有溫度修正功能，最大量程大，測(cè)量精度高。儀器成本低廉，安裝、調(diào)試與定標(biāo)方便，系統(tǒng)運(yùn)行功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，適用于野外長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)。一方面與傳統(tǒng)拉線式位移傳感器相比，不僅具有數(shù)字顯示功能，良好的人機(jī)交互界面，而且可以與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)交互，具有遠(yuǎn)程控制的優(yōu)點(diǎn)。

1 增量式光電編碼器簡(jiǎn)介

編碼器廣泛用于位置和角度的測(cè)量，可分為絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器。絕對(duì)式編碼器其特點(diǎn)是輸出信號(hào)與旋轉(zhuǎn)位置一一對(duì)應(yīng)，但其精度不高，而且成本較高。而增量式編碼器其輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，其脈沖個(gè)數(shù)與相對(duì)旋轉(zhuǎn)位移有關(guān)，而與旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置無(wú)關(guān)，其精度較高，而且其成本相對(duì)較低。如果預(yù)先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)位置，則可以利用增量式編碼器實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式編碼器的功能，也即可以測(cè)出旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置。

增量式編碼起按其輸出可分為差分式和非差分式，他們的輸出信號(hào)均為脈沖信號(hào)，非差分信號(hào)輸出一般有AB兩相脈沖信號(hào)，其高電平接近編碼起的工作電壓。而差分式信號(hào)輸出A相、A非相、B相、B非相，其高電平只有編碼起工作電壓的一半，不管差分還是非差分的編碼器，A相和B相信號(hào)波形完全相同，僅存在90度的相差。

2 位移傳感器結(jié)構(gòu)

位移傳感器采用鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量范圍修改靈活、儀器成本低廉、安裝、調(diào)試與定標(biāo)方便等特點(diǎn)。同時(shí)具有良好的人機(jī)交互界面，使用直觀方便。外觀結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 傳感器外形圖Fig.1 Outline pictur of the sensor

3 位移傳感器設(shè)計(jì)

感器硬件主要由光柵編碼電路、信號(hào)處理電路、單片機(jī)和顯示屏等組成，系統(tǒng)硬件原理框圖結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。光柵編碼電路主要將外部的位移轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào)；功放電路信號(hào)處理電路主要將脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波整形放大；單片機(jī)組要完成信號(hào)的采集，同時(shí)將計(jì)算數(shù)字脈沖對(duì)應(yīng)的實(shí)際位移；顯示屏組要完成測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

圖2 系統(tǒng)組成原理圖Fig.2 Skeleton diagram of the system

位移傳感器正常工作時(shí)，外部線形位移通過(guò)光柵信號(hào)編碼器轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào)，傳感器調(diào)整電路將接收此脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)阻抗匹配和信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大，然后送往信息處理電路，通過(guò)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)將外部線形位移換算成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量保存在動(dòng)態(tài)RAM中，最后信息處理電路將驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏將RAM中的數(shù)據(jù)顯示在屏中。

3.1 光柵信號(hào)編碼器

光電式拉線位移傳感器[1]的結(jié)構(gòu)主要由調(diào)制盤、紅外線發(fā)光二極管（SFH485，發(fā)散角為 40°）和紅外接收二極管組成。儀器通過(guò)一鋼絲拉線與待測(cè)位移物體相連，拉線采用線膨脹系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定的銦鋼絲。當(dāng)待測(cè)物體相對(duì)于光柵信號(hào)編碼器的固定軸發(fā)生位置變化時(shí)，則位移量由拉線傳動(dòng)到光柵信號(hào)編碼器上，調(diào)制盤的邊緣均勻分布著透光孔，紅外線發(fā)光二極管和接收管分別安置在調(diào)制盤的上下兩邊。用恒壓源給紅外線發(fā)光二極管供電，當(dāng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線將周期性的被遮擋，接收二極管上將出現(xiàn)周期的脈沖電壓信號(hào)，每一個(gè)電壓峰值即表示一個(gè)透光孔掃過(guò)接收二極管。將信號(hào)濾波、放大與整形后輸出。

設(shè)機(jī)械放大倍數(shù)為n，物體運(yùn)動(dòng)的位移量為△x，兩相鄰?fù)腹饪字行南嗑嗟幕￠L(zhǎng)為L(zhǎng)，則信號(hào)輸出端的脈沖個(gè)數(shù)N可由下式表出：N=△x·n/L，記下脈沖的個(gè)數(shù)即可計(jì)算出位移變化量了。

為了提高光柵信號(hào)傳感器的抗干擾能力，光柵傳感器采用24 V直流電源供電，經(jīng)過(guò)后續(xù)電路將信號(hào)處理為幅值為5 V的脈沖信號(hào)。供信號(hào)處理電路采集處理。

3.2 調(diào)理電路

調(diào)理電路將光柵信號(hào)編碼器裝置輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大與整形輸出。調(diào)理電路將對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行以下處理：

1）阻抗匹配：提高信號(hào)的輸出阻抗，有效地減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中的反射；

2）提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力：由于傳感器輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力很弱，連接負(fù)載時(shí)信號(hào)容易畸變。

3.3 信息處理電路

信息處理電路首先將光柵信號(hào)編碼器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，最后驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏，將需要的數(shù)據(jù)顯示。

為了提高測(cè)長(zhǎng)裝置的抗干擾能力，尤其是光柵編碼器輸出脈沖的抖動(dòng)，信息處理電路的接口與光柵編碼器輸出之間采用隔離耦合的方式通信。通過(guò)隔離耦合使信息處理電路接收信號(hào)不受光柵編碼器輸出抖動(dòng)的影響。

信息采集電路接收到從紅外接收管輸出的電壓信號(hào)經(jīng)濾波后由運(yùn)放進(jìn)行放大，使其峰值達(dá)到TTL電平，然后由施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形，將信號(hào)變成一定脈寬的方波，如圖3所示，然后單片機(jī)記下脈沖數(shù)。

同時(shí)信息采集電路接收到外部計(jì)算機(jī)的指令后，可以控制其運(yùn)行狀態(tài)，具有遠(yuǎn)程控制的特點(diǎn)。

圖3 紅外線二極管輸出信號(hào)Fig.3 Output signal of infrared diode

3.4 液晶顯示模塊

本設(shè)計(jì)中采用JHD161A液晶顯示屏。JHD161A具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

JHD161A是一種用5×7點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符的液晶顯示器，是武漢博控科技有限公司生產(chǎn)的1行16個(gè)字符的LCD顯示模塊，控制芯片為三星電子公司生產(chǎn)KS0066驅(qū)動(dòng)芯片。它采用16腳單排接口。

液晶顯示模塊與信息處理電路通過(guò)扁平電纜連接，信息處理電路根據(jù)顯示的需要，首先模擬液晶顯示屏的讀寫時(shí)序，將數(shù)據(jù)寫入液晶顯示屏的控制芯片RAM中，然后控制顯示屏的顯示與清屏，從而達(dá)到顯示屏數(shù)據(jù)的刷新和與外部線性位移的同步顯示。

4 傳感器的辨向識(shí)別設(shè)計(jì)

光柵信號(hào)編碼器是通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)?xùn)泡嗈D(zhuǎn)動(dòng)。柵輪輪沿為格柵狀。緊靠柵輪格柵兩側(cè)為發(fā)光管和接收管，一側(cè)是一紅外發(fā)光管，另一側(cè)是紅外接收組件。紅外接收組件為一三端器件，其中包含甲乙兩個(gè)紅外接收管。柵輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柵輪的輪齒周期性遮擋紅外發(fā)光管發(fā)出的紅外線照射到接收組件中的甲管和乙管，從而甲和乙輸出端輸出同周期的數(shù)字脈沖信號(hào)。柵輪輪齒夾在紅外發(fā)射與接收中間的部分的移動(dòng)方向?yàn)樯舷路较颍捎诩t外接收組件中甲乙兩管與紅外發(fā)射管的夾角不為零，于是甲乙管輸出的數(shù)字信號(hào)有一個(gè)相位差。

信息處理板上單片機(jī)通過(guò)此脈沖相位差判知柵輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，同時(shí)計(jì)算出柵輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和牽引繩的移動(dòng)位移。

為了提高傳感器的可靠性，本設(shè)計(jì)中借鑒了差分式增量編碼器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，即設(shè)計(jì)中引用了A相非信號(hào)，極大地提高了傳感器辨向的可靠性。同時(shí)通過(guò)信息處理板上單片機(jī)對(duì)采集信號(hào)的處理，有效地提高了傳感器的穩(wěn)定性。由于單片機(jī)相應(yīng)中斷信號(hào)具有一定的優(yōu)先級(jí)，將兩路外部中斷通過(guò)同一路信號(hào)源通過(guò)一定的處理控制，從而確保中斷響應(yīng)的正確可靠，中斷程序中對(duì)另一路信號(hào)的特征進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的辨向識(shí)別。

5 無(wú)誤差測(cè)量的原理及其實(shí)現(xiàn)

5.1 無(wú)誤差測(cè)量的原理

檢測(cè)A相一個(gè)周期中的同一個(gè)邊沿位置，如果在此邊沿位置檢測(cè)到一個(gè)上升沿，則對(duì)應(yīng)編碼器的一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向；如果在此邊沿位置檢測(cè)到一個(gè)下降沿，則對(duì)應(yīng)編碼器的另一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。B相為高電平時(shí)，若檢測(cè)到A相為上升沿，則可判斷出編碼器輸出波形的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺淖笙蛴遥淳幋a器為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；若檢測(cè)到A相為下降沿，則可判斷出編碼器輸出波形的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺挠蚁蜃螅淳幋a器為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；B相為低電平的情況可類推[2]。

5.2 無(wú)誤差測(cè)量的軟件實(shí)現(xiàn)

無(wú)誤差測(cè)量的軟件實(shí)現(xiàn)[3]原理：當(dāng)A相出現(xiàn)一個(gè)上升沿（即A非相出現(xiàn)一個(gè)下降沿），若檢測(cè)到B為高電平，則用軟件令計(jì)數(shù)器加1；當(dāng)A相出現(xiàn)一個(gè)下降沿，若檢測(cè)到B為高電平，則用軟件令計(jì)數(shù)器減1.這樣，兩個(gè)計(jì)數(shù)器之差，則對(duì)應(yīng)了編碼器實(shí)際的角位移，而其正負(fù)對(duì)應(yīng)了旋轉(zhuǎn)方向。設(shè)置單片機(jī)外部中斷的觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，當(dāng)INTO產(chǎn)生中斷，判斷B為高電平，則令計(jì)數(shù)器減1；當(dāng)INT1產(chǎn)生中斷，判斷B為高電平，則令計(jì)數(shù)器加1。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：其硬件簡(jiǎn)潔，程序簡(jiǎn)單，測(cè)量精確；其缺點(diǎn)是：其旋轉(zhuǎn)速度要受到單片機(jī)響應(yīng)速度的限制。其對(duì)計(jì)數(shù)器的加減都是通過(guò)運(yùn)行指令實(shí)現(xiàn)的，這也要花費(fèi)一定的時(shí)間，使得其響應(yīng)頻率降低，其響應(yīng)條件為編碼器的輸出脈沖周期要大于單片機(jī)的中斷響應(yīng)時(shí)間與中斷服務(wù)時(shí)間之和，而輸出脈沖周期又與編碼器的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，旋轉(zhuǎn)越快，輸出脈沖周期就越小。

5.3 無(wú)誤差測(cè)量的硬件電路實(shí)現(xiàn)

如前原理所述，使用A相的沿觸發(fā)（上升沿或下降沿）作為計(jì)數(shù)脈沖，而用B相的電平作為計(jì)數(shù)起停控制。方法1：利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)；方法2：利用定時(shí)計(jì)數(shù)器8253實(shí)現(xiàn)。

8253計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖為下降沿計(jì)數(shù).這樣將A相接至8253兩個(gè)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)輸入端（CLK），同時(shí)將B相接至8253的兩個(gè)計(jì)數(shù)器的門控信號(hào)輸入（GATE），選擇模式0，其特點(diǎn)為B相為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)停止；B相為高電平時(shí)，進(jìn)行計(jì)數(shù)，而具體哪個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)以及何時(shí)計(jì)數(shù)取決于A相的下降沿，這時(shí)只有一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

綜合上述測(cè)量原理和特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采用軟件的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件[5-6]是系統(tǒng)工作的核心，軟件有兩部分組成，一部分為斷相應(yīng)程序，一部分為循環(huán)處理程序，循環(huán)處理程序中調(diào)用了大量的子程序，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，軟件全部采用標(biāo)準(zhǔn)的匯編程序設(shè)計(jì)，充分利用硬件系統(tǒng)的資源。中斷程序比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)如圖4所示。循環(huán)程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 中斷處理程序流程圖Fig.4 Flow chart of the interrupt software design

7 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的位移傳感器相比，本設(shè)計(jì)具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量范圍修改靈活、儀器成本低廉、安裝、調(diào)試與定標(biāo)方便等特點(diǎn)。尤其低功耗的設(shè)計(jì)，由于其功耗較低，尤其適用于長(zhǎng)期野外自動(dòng)監(jiān)測(cè)；抗干擾能力強(qiáng)，適用于野外長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)。比如山體滑坡、鐵路路基、礦山巖體和隧道等的位移監(jiān)測(cè)。同時(shí)具有良好的人機(jī)交互界面，使用直觀方便。

圖5 傳感器軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the sensor software design

本設(shè)計(jì)中采用的軟件辨向法，使設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加上單片機(jī)本身的高品質(zhì)，所構(gòu)成的位移傳感器電路體積小、價(jià)格低、反應(yīng)靈敏、使用靈活可靠，實(shí)用性很高。既保證技術(shù)準(zhǔn)確外，還具有降低設(shè)計(jì)難度，縮短研制時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。對(duì)于其他傳感器的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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