基于FPGA的編碼器的研制

北京科技大學數理學院 尹曉龍

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基于FPGA的編碼器的研制

北京科技大學數理學院 尹曉龍

【摘要】現代技術最主要的支柱為傳感器技術、計算機技術以及通信技術，在信息社會里面，傳感器技術屬于重要技術基礎，而傳感器種類、質量以及數量和技術水平將會對信息技術系統所具有的功能以及質量產生直接的影響。編碼器主要采用的就是光電技術，用來進行一種非接觸角度計量，編碼器同時也是一種儀器儀表，其工作領域主要是位置計量領域，它完美結合了這三種信息技術，所以在實際工作中的使用范圍也在不斷擴大。本課題的研究內容主要是為了設計實現高精度單圈絕對位置角度傳感器，通過將FPGA相關技術實現編碼器的數據采集與處理，并研究其與用相關單片機等實現的編碼器之間的性能的優劣，設計出一個在時間上更有效率，并且更精確的角度編碼器。

【關鍵詞】FPGA；編碼器；研制

FPGA是一種現場可編程門陣列，在專門集成電力領域里面，其是半定制電路，不僅可以彌補定制電力具有的不足之處，還可以彌補可編程器所具有的電路數有效缺點[1]。而編碼器的具體工作原理和作用是把旋轉位轉換為數字脈沖信號，而這些脈沖可以有效控制角移位，當編碼器和相應的齒輪條或者是螺旋絲杠相互結合的時候，就能夠準確地二兩直線位移，其屬于一種旋轉式傳感器。依據工作原理，可以將編碼器分成增量式與絕對式兩種，本文主要研制的是一種高精度單圈絕對位置角度傳感器，將FPGA相關技術應用到編碼器數據采集以及處理中，可以有效解決傳統應用單片機的角度傳感器實現的角度測量所具有的不足之處。

1 基于FPGA編碼器數據的采集以及處理

多通道模擬量通過多路開關選擇之后，被AD轉換器轉換為相應的數字量，然后輸送到FPCA里面，輸進去的數據被處理之后就會傳輸到相應的存儲器存儲起來，基于FPCA的這種單片系統是數據采集以及數據處理的控制核心部分，這個控制系統可以內換分成多通道采集控制模塊以及數據處理模塊和存儲控制模塊。多通道采集控制模塊形成A/D采樣時序以及通道來對控制邏輯信號進行有效的控制，而數據處理模塊可以FFT變換相應的采樣數據，存儲控制模塊會形成存儲器里面的控制邏輯信號。由于FPGA本身具有非常豐富的I/O以及處理資源，所以可以同時檢修數據采集控制、存儲控制以及數據處理，有效提高系統數據處理能力[2]。

編碼器處理數據的具體過程為：先通過角度傳感器芯片MLX90316 的SPI接口與FPGA連接，然后通過FPGA處理數據，最后將數據輸出，輸出時采用A,B,Z三波形輸出，將360度分成1024份，如果z軸判斷是否為0的輸出，當角度小于360/1024度時，Z軸高電平輸出，否則低電平。當角度大于360/1024度時，A軸為高低電平交替輸出，每一個高或低電平表示一份角度即360/1034度，例如當角度為（360/1024）*4時輸出波形為：高，低，高，低。當角度為360度時，就是一共有1024個電平，高，低各512個。 B軸和A軸輸出波形一樣，但是比A軸延遲1/4個周期。

2 高精度單圈絕對位置角度傳感器所具有的優缺點

2.1 高精度單圈絕對位置角度傳感器所具有的優點

傳統的運用單片機的角度傳感器實現的角度測量等功能對短時間的數據不敏感，所以在運用時對數據的采集就不夠準確與全面，如果研制出高精度單圈絕對位置角度傳感器，就會使角度編碼器的工作效率更高，同時也更加準確。高精度單圈絕對位置角傳感器也屬于單圈絕對式編碼器，從上述編碼器處理數據的整個過程可知，在其中應用FPGA可以有效提高測量結果的準確度。

高精度單圈絕對位置角度傳感器并沒有采用傳統的那種莫爾條紋測量法，而是采用的另一種新型編碼方式，只用在光柵盤上面刻畫出一圈碼道，不僅可以顯著減小碼盤整個體積，同時也為刻劃工藝帶來了很大的方便[3]。除此之外，僅僅需要一塊碼盤就能夠得到所需光學測量信號，讓編碼器的裝調過程變得非常容易。同時，通過應用SSPA線陣列來獲得相應的廣電信號，可以使后置處理電路更加簡化。依據光柵碼道這種比較特殊的刻畫法，在利用合理有效的算法，就能夠將碼盤上面每個位置的絕對數值準確地讀出來。所以，這種高精度單圈絕對位置角度傳

感器在滿足具體精度要求的條件下，還變得更加小巧輕便、易于使用以及更加穩定可靠。

2.2 高精度單圈絕對位置角度傳感器所具有的缺點

高精度單圈絕對位置角度傳感器工作原理并不復雜，就是通過黑白條紋來分割編碼器碼盤圓周，從而對角度進行測量，實現這種編碼器必須涉及到系統算法、圖像傳感器以及圖像處理和光電轉換等方面。雖然其工作原理簡單，可是其實現會受到傳感器中的象素空間分布限制以及被其所具有的不均勻性所影響，同時模數轉換過程中產生的誤差，對其數據處理算法提出了比較高的要求。

3 結束語

總的來說，高精度單圈絕對位置角度傳感器的優點可以有效解決實際測量工作中存在的問題，而其所具有的缺點可以通過優化數據處理算法來解決。本課題的目標如果可以順利完成，那么就可以將這種基于FPGA的高精度單圈絕對位置角度傳感器設計出來，使角度編碼器的測量更加高效，同時提高測量結果準確度，對位置計量領域具有非常重大的實際意義。本文首先介紹了FPGA和編碼器，然后引出本課題所研究的高精度單圈絕對位置角度傳感器，對其信息收集以及處理進行分析，最后比較高精度單圈絕對位置角度傳感器和用相關單片機等實現的編碼器所具有的優缺點，以此來表明研制出高精度單圈絕對位置角度傳感器的重要作用和意義。

參考文獻

[1]馮英翹,萬秋華,宋超等.光電編碼器精碼信號采集與傳輸系統設計[J].光電子技術,2013,33(2):121-125.

[2]袁慶丹,葉樹林.FPGA在步進電機單步進給特性測試系統中的應用[J].儀表技術與傳感器,2011,01(8):78-80.

[3]宛世源,宋寶,唐小琦等.基于FPGA的工業現場總線偵聽器的設計與實現[J].組合機床與自動化加工技術,2014,16(1): 93-95.

尹曉龍（1989-），男，碩士，研究方向：基于FPGA的編碼器研制。

作者簡介：