光電編碼器快速地檢系統顯示功能設計

左 洋，龍科慧，周 磊，喬 克，劉金國，劉 兵

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100039）

1 引 言

光電軸角編碼器是基于光柵莫爾條紋原理的角度傳感器，因具有智能化、使用可靠、無接觸測量、易于維護等優點，被廣泛地應用于國防、工業等領域的精密測量和實時控制系統中。在航空航天領域中的高精度、高轉速光電編碼器由于其特殊的工作環境，對編碼器的各項性能指標要求嚴格，需要地檢系統能夠精確地檢測出編碼器的各項參數，因此，研究編碼器的快速地檢系統，對于航天級編碼器具有重要意義［1－4］。

目前，光電軸角編碼器的地檢調試系統多是基于單片機為核心處理器，通過串口進行數據通信，采用LED燈排顯示編碼器數據信息。但由于單片機運算處理時間長，串口通訊速率慢，造成檢測系統實時性差。而LED顯示燈排占用系統體積大，對于非專業人員來說，顯示的二進制數據讀取較困難，需計算后才能得到角度值，人工工作量大，信息顯示單一，若某一LED燈出現問題，造成調試結果出錯，不易查找［5－8］。

本文介紹了一種基于DSP＋CPLD的編碼器快速地檢系統。在涵蓋以往調試系統所有功能的基礎上，以DSP為核心處理器采用雙口RAM進行數據快速通信，增加了LCD液晶屏顯示多臺編碼器數據信息，并可同時顯示二進制和度分秒形式的角度位置信息，提高了信息顯示量，實時性好，可視性強，適于工作人員調試和數據讀取，攜帶方便，可在不同場地進行調試，并且系統顯示功能還可進一步擴展。

2 系統總體設計

編碼器快速地檢系統的結構框圖如圖1所示，從圖中可以看出該系統由兩部分組成，一部分是測角板，另一部分是伺服控制板。在測角板電路中，3臺編碼器粗碼信號由放大器放大后經比較器整形送入CPLD中，通過CPLD中設計的鎖存器進行鎖存后輸出到DSP；精碼信號經差分放大后通過CPLD控制的12位高速A／D進行采樣轉換，將得到的數字量送入DSP。DSP中軟件程序對編碼器信號進行粗碼譯碼，精碼細分，精粗校正等一系列處理得到3臺編碼器的角度信息。伺服控制板通過定義的接口為測角板提供5V和12V電源，同時向測角板上的DSP外部中斷發送脈沖信號，控制測角數據的傳輸通信，雙口RAM負責傳輸數據的存儲，將RAM中讀取的編碼器角度代碼處理成二進制和度分秒形式，由LCD液晶屏分別顯示出3臺編碼器的角度信息。

圖1 系統結構圖Fig.1 Diagram of the system architecture

3 系統實現

編碼器快速地檢系統中測角板與伺服控制板的DSP選用TI公司的SMJ320F240，其為航天設備中所使用芯片，具有高速的運算能力，可在－55～125℃范圍內工作，包括16K字的FLASH程序存儲器，544字的數據／程序RAM。CPLD選用ALTERA公司的EPM240T100C5，包括240邏輯元件，80個I／O引腳。雙口RAM選用IDT公司的IDT71V321，該芯片提供2個帶有自身的控制、地址和I／O引腳的獨立端口，可以允許雙機同步地讀或寫存儲器中的任何單元，同時保證數據的完整性。高速A／D選用AD7864，它是一款高速低功耗四通道同步采樣12位模數轉換器，在轉換時四通道同時采樣轉換速率是130KSPS。LCD為液晶屏LCD12864，該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面［9－10］。

3.1 數據通訊設計

系統中測角電路板和伺服控制板由自定義的接口連接，通過雙口RAM進行數據通訊。伺服控制板向測角板發送通訊同步信號：LVTTL電平（高電平為3.3V），2000Hz，占空比1∶1；測角板上升沿寫編碼器數據，伺服控制板下降沿讀數據。測角板與伺服控制板接口插頭為AIRBORN公司的 WTB56PR9SY，連接器的接口定義有以下信號組成：地址線A0～A10，數據線D0～D7，RAM 控制信號CS、WR、OE，2000Hz時鐘信號。測角板中DSP將數據打包寫入RAM中，數據格式為原碼，一次傳輸10個字節，首字節為幀頭碼，第2～4字節為方位編碼器的高、中、低各8位二進制數據，第5～7字節為俯仰編碼器的高、中、低各8位二進制數據，第8字節為JD03編碼器8位二進制數據，最后兩位為狀態碼和累加和，傳輸數據格式如表1所示。

表1 編碼器數據格式Tab.1 Data format of encoder

狀態碼定義如表2。

表2 狀態碼格式Tab.2 Format of status code

圖2 編碼器數據通訊原理圖Fig.2 Schematic of encoder data communication

測角板通過控制CEL、R／WL、OEL3個引腳信號使雙口RAM左側引腳為寫輸入，伺服控制板通過控制CER、R／WR、OER3個引腳信號使雙口RAM右側引腳為讀輸出，編碼器數據通訊原理如圖2所示。當伺服控制板通過通用定時器3向測角板INT1引腳發出2000Hz脈沖時，脈沖上升沿時觸發測角板外部中斷響應，從外部地址0x8000開始連續寫入包含編碼器數據信息的10個字節，在CEL為低電平，R／WL為低電平時，測角板寫入的數據保存到存儲器中。在脈沖下降沿，同時CER和OEL為低電平，R／WR為高電平時，伺服控制板讀取RAM中存儲的10個字節信息。

3.2 顯示電路設計

為實時觀測編碼器轉動動態位置信息和檢測數據傳輸的正確性，設計了地檢系統顯示功能。伺服控制板通過LCD液晶屏顯示出從RAM中讀取的編碼器數據信息。LCD液晶屏選用LCD12864，其顯示分辨率為128×64，內置8192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集，可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。LCD顯示電路如圖3所示，DSP由通用IO口IOPB0～IOPB7向LCD中寫數據或指令，通過IO口IOPA3控制液晶屏顯示數據或指令，IOPA4控制數據讀或寫操作，IOPA5控制液晶屏使能信號，電位器W1控制液晶屏明暗度。

圖3 LCD顯示電路圖Fig.3 Diagram of LCD display circuit

3.3 顯示程序設計

為提高編碼器數據信息顯示的可視性，有利于工作人員調試及數據讀取，系統通過LCD12864同時顯示出二進制燈排形式和度分秒形式的編碼器角度代碼，省去了以往LED燈排顯示電路，縮小了系統體積，減少了人工工作量。

由于伺服控制板讀取的10字節信息包括3臺編碼器位置信息、幀頭碼、狀態碼和累加和，而LCD12864滿屏只能顯示8字節數據無法完全顯示出讀取信息，所以為了更直觀、方便地讀取每臺編碼器位置信息，將10字節數據分4次循環顯示，通過外設按鍵切換每次顯示信息，前3次分別顯示每臺編碼器轉動角度信息，第4次屏顯示幀頭碼、狀態碼和累加和，系統顯示功能流程圖如圖4。

圖4 顯示功能流程圖Fig.4 Flow chart of display

在顯示程序中每按下一次按鍵就會觸出發外部中斷令中斷標志位flag自動加1，flag初值為1，當flag＞4時重新賦值為1，通過判斷flag值來確定液晶屏上每次顯示的信息。當flag＝1時，系統處理18位JD01方位編碼器的3個字節數據信息，首先將二進制數據轉換成十進制度分秒形式的位置信息顯示在液晶屏的第二行，然后利用LCD的自定義字符將二進制燈排形式的位置信息顯示在第三、四行。同樣在flag＝2時，顯示18位JD02俯仰編碼器的位置信息；flag＝3時，顯示6位JD03編碼器信息；而flag＝4時，系統無需處理直接顯示幀頭碼、狀態碼和累加和3個字節信息。程序部分源代碼如下：

程序中函數Chl＿dfm（）是將讀取的編碼器數據處理成度分秒形式，函數Chl＿light16和Chl＿light32是將二進制數通過自定義字符轉換為相應的燈排形式，函數disp（）是將處理過的數據分別顯示到液晶屏的相應位置。

4 實驗結果

通過軟硬件設計與調試，系統顯示效果如圖5所示。液晶屏第一行顯示的ZL01為編碼器序號，括號內為自定義字符代表二進制燈排的定義。第二行顯示此時編碼器位置信息為50°56′57″，相應的在第三、四行顯示18位二進制燈排信息為001001000011101100。

圖5 顯示效果圖Fig.5 Renderings of show

系統以高精度光電編碼器作為角度基準，將被檢編碼器與基準編碼器同軸連接，記錄相同位置處的角度讀數差值，即為被檢編碼器在該位置處的誤差。實驗中采用的基準編碼器分辨力為23位，精度≤2″，可以滿足對精度大于10″的光電編碼器檢測要求。在光電編碼器全周360°每隔30°測1個點，共得到13點的誤差數據，記錄編碼器順時針和逆時針旋轉時兩組誤差值，測試結果如表2所示。

由編碼器誤差檢測結果可知，編碼器最大誤差值為＋40″，最小誤差值為－35″，均方根誤差為24.38″，滿足編碼器精度小于60″的要求。

表3 編碼器誤差測試結果Tab.3 Results of encoder’s precision test

5 結 論

為實現航天級光電軸角編碼器的高可靠性與穩定性，更加方便直觀地讀取編碼器位置信息，本文設計了航天級光電編碼器快速地檢系統顯示功能。以DSP＋CPLD為核心處理器對多臺編碼器進行信號采集與處理，通過雙口RAM進行測角板與伺服控制板的數據通訊，伺服控制板將讀取到的編碼器位置信息顯示到LCD液晶屏上，利用按鍵控制液晶屏分別顯示出每臺編碼器二進制和度分秒形式的角度位置信息。實驗結果表明，編碼器最大誤差值為＋40″，最小誤差值為－35″，均方根誤差為24.38″，滿足編碼器精度要求。該系統可以同時完成多臺編碼器的數據傳輸通信和顯示功能，實時性好，可視性強，體積小，易于攜帶，便于在不同場地對編碼器進行調試，并且系統功能還可進一步擴展。

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