光柵傳感器實驗控制系統設計

宋露露

摘要 光柵位移傳感實驗可以幫助光電、信息類專業的學生深入了解光柵傳感器的原理及其工程應用。本文基于學生的學習特點設計了一款光柵傳感實驗控制系統，著重闡述了核心芯片TMS320F2812的原理及對外接口技術，光柵與TMS320F2812的接口設計，步進電機驅動電路設計、基于FPGA的LED顯示屏電路設計。針對傳統的光柵傳感實驗系統操作復雜、顯示缺乏人性化等問題，旨在設計一款性能穩定、操作性較強的實驗設備。

【關鍵詞】DSP 光柵尺 光電編碼器 步進電機

1 引言

隨著高校教育改革的不斷推進，實驗器材也在不斷推陳出新，本文針對光電子信息類專業本、專科大學生，對光柵傳感器原理及應用的掌握需要，設計了一型基于DSP的光柵傳感器實驗系統，這套系統性能穩定、數據顯示非常人性化。通過這套實驗系統，學生們可更加深入的了解光柵傳感器測量位移的原理及方法，加深對莫爾條紋形成的光學原理、位移放大作用和誤差平均效應的理解，同時，實驗箱增加一些擴展功能，方便學生做衍生實驗。

2 原理及硬件結構

光柵傳感器實驗系統由7個部分組成，分別是步進電動機驅動電路、光柵傳感器測量電路、傳動絲桿、兩個步進電機，直流穩壓電源、光柵線位移傳感器（光柵尺）、光柵角位移傳感器（光電編碼器）組成。其中，步進電機驅動電路由DSP及外圍數字電路組成，它能可靠監測步進電機的運行狀態;光柵傳感器測量電路由DSP的正交編碼電路實現，能對光柵線位移傳感器（光柵尺）或光柵角位移傳感器（光電編碼器）輸入信號進行處理，并通過LED精確顯示光柵線位移傳感器（光柵尺）水平位移和光柵角位移傳感器（光電編碼器）角度。步進電機驅動電路和光柵傳感器測量電路設計在一塊電路上，采用同一片DSP實現。

其硬件結構框圖如圖1所示。

3 硬件實現

3.1 DSP控制器

光柵傳感器實驗系統的控制芯片采用的是TI公司的TMS320F2812，這是一款32位定點DSP芯片，該芯片的內核工作頻率可達150MHz，機器周期可以達到6.67ns，具有12 8K x16位片上FLASH，18Kx16位片上SRAM，并且具有多達12路的脈寬調制模塊（PWM），兩路正交編碼器接口模塊（QEP），另外還具備2路SCI接口，1路SPI接口，1路CAN總線接口，1路I2C總線接口等;該芯片外部接口豐富，在系統管理、電機控制應用方面具有獨到的優勢，也非常適合做擴展。

3.2 可編程邏輯器件

可編程邏輯器件用來實現電路的邏輯、時序控制，本文采用了Altera公司的Cyclonelll系列EP3C10F256型的FPGA芯片，共有10320個邏輯單元（LE），46個M9KRAM塊，23個嵌入式18 X18乘法器、2個鎖相環（PLL），具有最多182個用戶IO管腳電路以及414Kbis的內部RAM。

3.3 驅動電路設計

電路設計中采用TMS320F2812為控制核心，采用FPGA的4路IO產生時序脈沖信號，通過L298P雙H橋式驅動器對步進電機進行驅動控制。L298P是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機驅動芯片，可以方便的驅動兩個直流電機，也可以驅動一個兩相步進電機。L298P輸入端連接標準TTL邏輯電平，輸出端直接驅動步進電機等電感性負載;驅動芯片的輸出電壓與供電電源相關，最大可驅動46V、2A的電機。

L298P外圍接口電路圖如圖2所示。

步進電機是一種離散運動執行機構，通過接收不同時序的數字脈沖信號來實現步進電機的正轉、反轉或停止動作。步進電機的轉速與數字脈沖頻率相關，數字脈沖頻率越快，電機轉速越快;由于脈沖控速的方式沒有累積誤差，因此步進電機可廣泛應用于各種開環控制。

具體到本電路中，是通過FPGA的10端口產生數字脈沖信號來控制步進電機的正、反轉動作。當INA～IND按1-2—3—4一1...順序控制時，步進電機順時針轉動;當INA～IND按4—3—2—1—4--順序控制時，步進電機逆時針轉動。步進電機驅動時序如表1所示。

3.4 光柵測量電路設計

3.4.1 光柵線位移傳感器

光柵線位移傳感器主要應用于直線移動機構，可實現直線移動量的精確測量，廣泛應用于機械加工的位移測量、振動測量和變形測量等領域。

當步進電機轉動時，通過聯軸器帶動傳動絲桿轉動，傳動絲桿上的移動塊帶動光柵尺讀數頭移動，光柵尺讀數頭移動方向通過步進電機轉動方向控制，移動速度通過步進電機轉動速度控制。光柵尺讀數頭移動時會輸出A、B兩路相位相差900的TTL方波信號，同時輸出一個脈沖的Z信號，作為參考機械零位。

3.4.2 光柵角位移傳感器

光柵角位移傳感器作為角位移測控部件，目前己在數控機床、電梯行業、電腦刺繡、紡織機械、軋鋼、印刷機、工業機器人及伺服傳動、自動控制、位置檢測等方面得到廣泛應用。本實驗箱光柵角位移傳感器采用增量式光電編碼器來實現測量。

步進電機轉動時，通過轉盤、聯軸器帶動光電編碼器轉動，光電編碼器轉動時輸出相位相差900的A、B兩路TTL方波信號，每轉輸出一個脈沖的Z信號，作為參考機械零位。

3.4.3 測量電路設計

光柵尺或光電編碼器輸出的A、B、Z信號通過數字隔離、電平轉換接到事件管理器（EVA）的正交編碼電路QEP1和QEP2兩個輸入引腳;Z相脈沖信號接到EVA的QEPI1，每轉一圈QEPI1就接到一個脈沖，同時校正一下零位。EVA中定時器T2采用定向增減計數模式，并以正交編碼脈沖電路產生的4倍頻信號作為時鐘源，其計數值為A、B兩路信號4倍頻后脈沖數。通過QEP電路的解碼邏輯可以判斷哪個信號的相位超前，就可以推斷出定時器的計數方向，當電機正轉時，T2遞增計數，當電機反轉時，T2遞減計數。其時序圖如圖3所示。

TMS320F2812包含兩個事件管理器EVA和EVB，每個事件管理器都含有1個QEP單元。該實驗系統硬件電路提供兩路QEP接入，分別接收光柵尺和光電編碼器的脈沖信號，從而實現光柵尺和光電編碼器的位移量計算。

通過對事件管理器的定時周期寄存器、比較寄存器、計數寄存器等進行配置，可進行QEP計數。QEP寄存器設置流程如下：

（1）在通用定時器2的計數器、周期和比較寄存器中載入預期值;

（2）配置T2CON寄存器，使通用定時器2工作在定向增減模式，時鐘源為QEP電路，并使能使用的通用定時器;

（3）設置CAPCONA寄存器以使能正交編碼脈沖電路。

3.5 LED顯示控制電路

LED顯示屏用于實時顯示步進電機運行的狀態以及光柵尺、光電編碼器位移測量的值。本文設計一種由4個16 x16點陣LED模塊組成的顯示屏，它通過DSP和FPGA的控制可以實時顯示或滾動顯示任意的文字和符號。

LED顯示屏的主控制器為FPGA，可通過硬件描述語言（VHDL或Verilog）來實現硬件功能，有效地簡化了電路結構;而且FPGA功能強大、外部引腳數量多，擴展性很強，因此，要控制LED大屏幕的顯示只需要用簡單的外圍電路加上一個FPGA就可以實現。本電路可級聯擴展，實現由多個16 x16點陣LED模塊組成的顯示屏，顯示豐富的文字信息。

16 x16點陣LED模塊由4個8x8 LED顯示屏組成，本文采用動態掃描方式進行LED的顯示驅動，列顯示采用串行傳輸信號控制，行采用從左至右的掃描方式輸出驅動信號。驅動電路采用2片74HC595移位寄存器級聯組成16位的列驅動信號、行信號采用FPGA串聯排阻加至LED點陣顯示屏的行選通端。

具體實現方法如下：通過字模提取工具，提取實驗箱運行所需的數字或圖文信息，將信息定義為一個大的數組，DSP根據實驗箱需顯示的狀態值，調用數組中對應的字符碼，發送至FPGA，FPGA的數據處理模塊接收到DSP的指令后，譯碼成LED顯示所需的行、列碼值傳送至掃描驅動模塊，最后在LED顯示屏上進行顯示。當行掃描速度足夠快時，由于人眼的余暉效應造成視覺暫留，就能看到顯示屏上穩定的字符了。

4 結論

本文采用了DSP與FPGA結合的架構，設計了實驗箱的硬件系統;充分利用了DSP豐富的控制接口與光柵傳感器、FPGA、串口等連接，利用FPGA強大的邏輯、時序處理能力實現了步進電機的驅動控制、LED顯示屏的文字和圖形的動態顯示控制。整個系統性能穩定、效果良好。

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