旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機的通用接口

1、機械測量中旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機的通用接口在準(zhǔn)備Freescale杯全國大學(xué)生智能車比賽中我們開始的時候是采用紅外傳感器來測量速度，但是它受環(huán)境的干擾很大，且響應(yīng)頻率很小，還達不到1KHz,為了提高速度測量精度和響應(yīng)頻率，減小環(huán)境的干擾，決定采用了旋轉(zhuǎn)編碼器，我們成功地開發(fā)了單片機與旋轉(zhuǎn)編碼器的最簡硬件接口。旋轉(zhuǎn)編碼器及其工作原理旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量角度的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。它將測量到的角度量轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號輸出，用來檢測被檢對象的角位移

2、、角速度、角加速度、線位移、線速度和線加速度等，因而，應(yīng)用十分廣泛。旋轉(zhuǎn)編碼器有絕對式和增量式兩種。絕對式所測量到的角位置是絕對位置；而增量式所測量的是轉(zhuǎn)動體角位移的累計量。旋轉(zhuǎn)編碼器有一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。信號輸出有正弦波（電流或電

3、壓），方波（TTL、HTL）,集電極開路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。如單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。B兩相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。A、A-、B、B-、Z、Z-連接，由于帶有對稱負(fù)信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為0,衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。為方便用戶使

4、用，旋轉(zhuǎn)編碼器信號有電壓、NPN、PNP、T、D多種輸出方式。不同輸出方式的抗電磁干擾的能力也不同。因而，可根據(jù)使用的具體要求選擇恰當(dāng)輸出形式的旋轉(zhuǎn)編碼器。本設(shè)計采用旋轉(zhuǎn)編碼器的單相聯(lián)接輸出方波。旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機的接口由于工程實踐和比賽的需要，我們研究開發(fā)了一種單片機與旋轉(zhuǎn)編碼器直接接口的方法。此方法就是直接將旋轉(zhuǎn)編碼器信號端與Freescale的S12的單片機的輸入捕捉/輸出比較通道（IOC）極為簡潔，由此構(gòu)成的系統(tǒng)極為簡單而可靠性很高。旋轉(zhuǎn)編碼器A相輸出信號，故可使用單片機的IOC1（IOC0IOC7任意一個都可以）與之相接。實際使用時，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器信號線的長度及電磁干擾的程度，可以在

5、旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機之間增加光電耦合器，或整形門電路，以抵抗干擾，調(diào)理旋轉(zhuǎn)編碼器的輸入信號。我們在使用中采用了電壓輸出形式的旋轉(zhuǎn)編碼器，而且信號線很短，接口電路見圖1。編碼器圖1旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機的接口電路圖1上拉電阻R是因為我們的編碼器是NPN型集電極開路的。在這個接口方式中，將旋轉(zhuǎn)編碼器的A相與單片機的IOC1/PT1引腳相連，輸出端需接1K的上拉電阻，這個電阻是我們通過實驗得到的結(jié)果，其空載輸出脈沖頻率為070KHz。實物圖見圖2,我們采用齒輪嚙合的原理將電機的齒輪和編碼器的齒輪嚙合，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)帶動編碼器的旋轉(zhuǎn)，編碼器就在接上拉電阻的信號線A上產(chǎn)生方波。圖2智能車上旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝接口程序

6、上述接口方法是利用了S12單片機的ECT模塊的外部輸入捕捉/輸出比較工作方式。單片機也僅僅使用外部輸入捕捉的來處理旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)，只要將旋轉(zhuǎn)編碼器的A相（或B相）接至外部輸入捕捉口IOC1（IOC0IOC7任意一個都可以），程序如下：用PT1（IOC1）通道作為速度脈沖信號輸入，ECT模塊初始化步驟如下：1）設(shè)置TIOS寄存器，設(shè)置PT1通道為輸入；2）設(shè)置TCTL4寄存器，使得上升沿和下降沿（任何沿）均能得到捕捉；3）設(shè)置ICOVW_NOVW寄存器，保護脈沖累加器的數(shù)據(jù)；4）置位ICPAR_PA1EN,使能脈沖累加器。設(shè)置此寄存器之后，脈沖累加器開始計數(shù)；5）通過讀取PACN1寄存器，即可以

7、獲取當(dāng)前的脈沖累加值。初始化程序為：voidECT_initial（void）/ECT初始化DDRT_DDRT1=0;置PT1（IOC1）腳為輸入TIOS_IOS0=0;TIOS_IOS1=0;/通道1為輸入捕捉TCTL4=0b00001101;/通道1為任何沿捕捉TSCR1_TEN=1;/計數(shù)器1使能ICOVW_NOVW1=1;/保護ICPAR_PA1EN=1;/脈沖累加器使能在每一控制周期開始時，MC9s12DG128讀取脈沖累加器中的數(shù)值(average5),然后與前5個控制周期的脈沖累加器值求和(all_speed)再求平均值，做為當(dāng)前速度反饋值(speed)o程序流程圖如圖3所示。定

8、時時間到產(chǎn)生中斷規(guī)速函數(shù)入口_，I計算allspeedaveragc5fPACNIall_fipill_speed+average(5J測速函數(shù)出口中斷返回圖3直流電機測速流程圖計數(shù)速度的測試采用以下兩種方法對電機測速部分進行測試：1)讓智能車在賽道上行駛，每20ms將賽車當(dāng)前速度值通過SCI串口發(fā)送到上位機上，并利用串口調(diào)試器進行監(jiān)控。對正好在一圈當(dāng)中賽車行駛的速度值進行累加求和，再乘以20ms,得到的總行駛距離約為27m,而模擬賽道總長約為26m,兩者的相對誤差不到4%。這說明，速度傳感器測量基本準(zhǔn)確。2）直流電機空載運行時，改變脈沖捕捉方式，在上升沿、下降沿和任何沿捕捉方式間進行切換。不

9、改變驅(qū)動電機占空比設(shè)置，理想情況下，單位時間內(nèi)捕捉的脈沖數(shù)滿足：上升沿獲取下的脈沖數(shù)=下降沿獲取下的脈沖數(shù)=任何沿獲取下的脈沖數(shù)/2。在脈沖捕捉方式不變的情況下，改變PWM信號占空比（即改變速度給定值），檢測的速度值與占空比近似成線性比例關(guān)系。以上間接說明脈沖檢測的可靠性。機械測量中旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機的通用接口技術(shù)分類：微處理器與DSP|2009-03-12南昌大學(xué)自動化系郭敏初始化程序為:初始化voidECT_initial(void)/ECT(DDRT_DDRT1=0;/置PT1(IOC1)腳為輸入TIOS_IOS0=0;TIOS_IOS1=0;/通道1為輸入捕捉TCTL4=0b00001

10、101;/通道1為任何沿捕捉TSCR1_TEN=1;/計數(shù)器1使能ICOVW_NOVW1=1;/保護ICPAR_PA1EN=1;/脈沖累加器使能在每一控制周期開始時，MC9s12DG12減取脈沖累加器中的數(shù)值(average5)前5個控制周期的脈沖累加器值求和(all_speed)再求平均值，做為當(dāng)前速度反饋值(speed)。程序流程圖如圖3所示。圖3直流電機測速流程圖計數(shù)速度的測試采用以下兩種方法對電機測速部分進行測試：1）讓智能車在賽道上行駛，每20ms將賽車當(dāng)前速度值通過SCI串口發(fā)送到上位機上，并利用串口調(diào)試器進行監(jiān)控。對正好在一圈當(dāng)中賽車行駛的速度值進行累加求和，再乘以20ms,得到的總行駛距離約為27m,而模擬賽道總長約為26m,兩者的相對誤差不到4%這說明，速度傳感器測量基本準(zhǔn)確。2）直流電機空載運行時，改變脈沖捕捉方