基于TMS320F28335的絕對式光電編碼器驅動設計

李逸楠　孫麗君　孫鳳鳴　王玉敬　崔建飛

摘 要：設計了光電編碼器與TMS320F28335之間的接口電路，編程實現了SSI同步串行接口協議，以及實現了光電編碼器格雷碼位置信息的讀取并轉換為二進制碼參與后續位置控制運算。經實驗驗證，通過TMS320F28335的GPIO讀取的編碼器位置信息準確，40 μs內可完成一次25 bit的位置信息讀取，分辨力為5'16"。該系統適用于絕大部分需要監測位移、角度、速度、角速度的場合，具有讀取速度快、精度高、價格低、適用范圍廣的優點。

關鍵詞：TMS320F28335；光電編碼器；格雷碼；SSI同步串行接口

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.023

在電機控制領域，如果需要精確控制負載的位置，就必須測得負載的當前位置，然后與目標位置進行比較，根據差值確定電機的控制策略。因此，準確地檢測出負載位置是一切控制手段的前提。光電編碼器是測量旋轉運動、角速度的傳感器，可與機械測量設備一起使用，例如絲杠，測量直線運動。應用領域包括電機、機床、印刷機、木工機器、紡織機器、機器人和運送設備以及各種測量、測試和檢驗設備。光電編碼器測得的位置信息通常通過SSI同步串行總線與控制器進行數據交換。TMS320F28335本身具有SPI同步串行總線接口，協議與SSI總線類似，但其數據寬度僅為16 bit，對于多圈數高精度的光電編碼器（通常為25 bit）無法直接連接使用。本文介紹了一種基于TMS320F28335的光電編碼器驅動方案，可以讀取任意數據長度的光電編碼器位置數據，同時具有讀取速度快、精度高、價格低、適用范圍廣的優點。

1 簡介

1.1 光電編碼器簡介

本系統采用了海德漢公司的EQN425絕對式光電編碼器，采用SSI接口。該編碼器為多圈式，讀出的位置信息為25 bit，其中高12位為圈數，低13位為絕對位置，數據格式見表1.

編碼器采用28.5 V直流供電，編碼器通過一路差分信號接收輸入的CLOCK信號，在CLOCK信號的驅動下，通過一路差分信號輸出位置信息。提供了升序旋轉方向切換和置零接口，可以通過編程隨時切換。

1.2 TMS320F28335簡介

TMS320F28335是32位高性能浮點數字信號處理器，是近年美國TI公司推出的一種新產品。該芯片具有很強的信號處理及控制功能，具有單精度浮點運算單元和高精度PWM，與定點DSP相比增加了DMA功能，可將ADC轉換結果直接存入DSP的任一存儲空間，有外部存儲器擴展接口、看門狗和3個定時器，采集精度高，抗干擾能力強。運行頻率為150 MHz。

2 硬件接口設計

光電編碼器符合RS-485傳輸協議，采用差分信號進行傳輸。采用28335的GPIO55作為時鐘輸出，經過ISO7221CD隔離，經MAX490EESA轉換為光電編碼器可用的差分信號。在時鐘信號驅動下，光電編碼器的位置信息通過DATA+與DATA-輸入MAX490EESA轉換，經隔離后輸入28335的GPIO56。28335的GPIO57作為升序旋轉方向切換控制輸出，GPIO58作為置零輸出。如有需要，可以與光電編碼器相應接口連接，如圖1所示。

3 軟件設計

首先進行GPIO55、GPIO56的初始化，代碼如下：

EALLOW； //Enable EALLOW

GpioCtrlRegs.GPBMUX2.bit.GPIO55 = 0； //配置為基本輸入輸出功能，光電編碼器輸出時鐘

GpioCtrlRegs.GPBMUX2.bit.GPIO56 = 0； //配置為基本輸入輸出功能，光電編碼器數據輸入

GpioCtrlRegs.GPBDIR.bit.GPIO55 = 1； //GOIO55方向為

輸出，編碼器輸出時鐘

GpioCtrlRegs.GPBDIR.bit.GPIO56 = 0； // GOIO56方向為輸入，編碼器數據輸入

EDIS； //Disable EALLOW

接著對GPIO55的輸出電平進行編程，模擬輸出時鐘時序，在下降沿之后讀取GPIO56的數據，并進行數據的移位、拼接，得到光電編碼器輸出的格雷碼。代碼如下：

Uint32 m_Rec_Data_Gray = 0； // 光電編碼器輸出格雷碼

long int m_Rec_Data_Bin = 0； // 轉換之后的二進制碼

void Rec_SSIData（void）

{

Uint32 in_data = 0；

int i；

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIO55 = 1； //拉高

DELAY_US（0.5）； //延遲0.5 μs

GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIO55 = 1； //置低

DELAY_US（0.5）； //先發出一個下降沿，通知光電編碼器準備輸出數據

for（i=24；i>=0；i--） // 進入正式讀數循環。該型號光電編碼器為25位，因此進行25次循環

//讀數。如果其他光電編碼器位數不同，則可以改變循環次數。

{

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIO55 = 1； //56 is high can read

DELAY_US（0.5）；

GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIO55 = 1； //56 is low

in_data=GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIO56； //讀數

m_Rec_Data_Gray|=（in_data<

DELAY_US（0.5）；

}

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIO55 = 1； //56 is high， last high

m_Rec_Data_Bin = （long int）（GrayToDecimal（m_Rec_Data_Gray））； //轉換

}

其中，GrayToDecimal（）函數為格雷碼轉換為二進制數函數，代碼如下：

static Uint32 GrayToDecimal（Uint32 x）

{

Uint32 y；

y = x；

while （x>>=1）

{

y^=x；

}

return y；

}

4 試驗驗證

將上述硬件連接完畢，代碼燒錄完畢，上電。采用示波器觀察GPIO55與GPIO56信號波形，可以看到時鐘信號與數據信號如圖2所示。

在圖2中，波形1為讀出數據，波形2為輸出時鐘信號。可以看到，輸出時鐘脈沖周期為1.4 μs，讀出25位數據用時40 μs，讀出的位置數據格雷碼為“1 0010 0101 1011 1011 0001 0110”，轉換成二進制碼為“1 1100 0110 1101 0010 0001 1101”，轉換為十進制數為29 807 133.在此基礎上，將光電編碼器旋轉一圈，讀數變為29 811 229，相差4 096.該實驗表明此型號光電編碼器最小量化單位為360/4 096=0.088°，即分辨力為5'16"。需要注意的是，雖然此光電編碼器用戶手冊上說明讀出格雷碼的低13 bit為絕對位置值，但在實際使用中它并不能達到標稱的精度，相當于經過格雷碼轉換為二進制之后，只有低12 bit代表了實際位置值。其量化精度比標稱值降低了一半。

5 結論

采用TMS320F28335作為控制核心，設計了硬件接口電路與驅動軟件，可以適用于任意數據寬度的光電編碼器位置信息的讀取。經實驗驗證，光電編碼器旋轉一圈讀數變化4 096.該系統工作穩定可靠，具有讀取速度快、精度高、價格低、適用范圍廣的優點。

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〔編輯：劉曉芳〕