基于FPGA+DSP的海德漢編碼器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

基于FPGA+DSP的海德漢編碼器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)的控制是其重要組成部分。編碼器作為電機(jī)角位移的檢測(cè)裝置，為系統(tǒng)提供重要反饋信號(hào)。本文介紹了一個(gè)適合嵌入式系統(tǒng)的基于DSP和FPGA的海德漢光電編碼器信號(hào)處理通用模塊，能夠測(cè)量和處理海德漢公司的高精度增量式編碼器信號(hào)和采用EnDat2.2雙向數(shù)字接口的絕對(duì)式編碼器信號(hào)。經(jīng)使用者的簡(jiǎn)單操作，模塊適用于不同位數(shù)、不同類型的海德漢編碼器。該模塊通過(guò)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試與測(cè)試，能有效快速工作，目前已應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)臺(tái)中。引言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越多，特別是計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、軍事工程和現(xiàn)代工業(yè)等領(lǐng)域不可缺少的部分。因而，自動(dòng)控制元件如作為動(dòng)力裝置的各種電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和作為信號(hào)變換的各種控制電機(jī)在各種控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，不僅需要控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還需要反饋裝置。因此，編碼器作為電機(jī)的角度、速度、方向的檢測(cè)裝置，也得到了廣泛的應(yīng)用。編碼器又有旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾傳感器和光電編碼器。其中，光電編碼器精度高,抗干擾能力強(qiáng),接口簡(jiǎn)單,使用方便,因而獲得了最廣泛的應(yīng)用[1]。光電編碼器按編碼方式又主要有增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器兩大類，前者具有分辨率高、價(jià)格較低、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，然而在當(dāng)今工業(yè)中，無(wú)掉電記憶功能又對(duì)其應(yīng)用構(gòu)成了很大局限；后者結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、接口數(shù)字化、抗干擾能力強(qiáng)、具有掉電記憶功能，在應(yīng)用中也越來(lái)越受重視[2]。當(dāng)前市場(chǎng)上，德國(guó)海德漢公司的產(chǎn)品種類繁多，具有很好的品質(zhì)保證，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、自動(dòng)化領(lǐng)域，尤其在半導(dǎo)體和電子制造業(yè)等領(lǐng)域。海德漢光電編碼器占有很大市場(chǎng)份額，而與之相配套的解碼設(shè)備不適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)臺(tái)使用的海德漢編碼器設(shè)計(jì)出了增量式和絕對(duì)式的通用數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊具有信號(hào)處理速度快、精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、應(yīng)用靈活廣泛、使用和調(diào)試方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，能很好滿足使用需求。1海德漢編碼器概述1.1高精度增量式編碼器增量式編碼器是經(jīng)過(guò)光柵將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。其光柵由周期性刻線組成，通過(guò)計(jì)算自某點(diǎn)開始的增量數(shù)(測(cè)量步距數(shù))獲得位置信息。本模塊要測(cè)量的高精度海德漢增量式編碼器的光柵上還有刻有距離編碼參考點(diǎn)的軌道，加快參考點(diǎn)回零[3]。下圖1為某帶距離編碼的圓光柵。圖1帶距離編碼參考點(diǎn)的圓光柵（ERA4480）這些參考點(diǎn)彼此相距數(shù)學(xué)算法確定的距離。已過(guò)三個(gè)參考點(diǎn)的兩個(gè)脈沖后，后續(xù)電子設(shè)備就能找到絕對(duì)參考點(diǎn)。1.2高精度絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器利用自然二進(jìn)制、循環(huán)二進(jìn)制(格雷碼)或PRC碼對(duì)碼盤上的物理刻線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖序列并以數(shù)字量輸出，其每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的唯一的數(shù)字編碼，因而具有掉電記憶功能[4]。有時(shí)，通過(guò)位置編碼器獲得位置值的數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和反饋環(huán)還需要編碼器提供一些附加值。為使系統(tǒng)具有更高可靠性，編碼器還需具有錯(cuò)誤檢測(cè)和診斷功能。海德漢公司的Endat2.2數(shù)據(jù)接口是一種適用于編碼器的雙向數(shù)據(jù)接口，可傳輸絕對(duì)式或增量式編碼器的位置值，也能傳輸或更新保存在編碼器中的信息或保存新信息。由于采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式它只需要4條線。數(shù)據(jù)傳輸保持與后續(xù)電子設(shè)備時(shí)鐘信號(hào)同步。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型（位置值、參數(shù)或診斷信息等）通過(guò)后續(xù)電子設(shè)備發(fā)至編碼器的模式指令選擇[5]。2硬件設(shè)計(jì)本模塊采用了DSP和FPGA結(jié)合的工作方式。DSP主要用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，非常適合高密度、重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理。FPGA/CPLD器件一方面可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作，非常適用于實(shí)時(shí)測(cè)控和高速應(yīng)用領(lǐng)域，另一方面物理機(jī)制和純硬件電路一樣，十分可靠，尤其是抗強(qiáng)電磁干擾。兩者結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理，速度快且可靠性好[6]。根據(jù)方案功能需求，設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2硬件結(jié)構(gòu)圖圖中，模塊連接器為標(biāo)準(zhǔn)的DB15連接器，通過(guò)管腳配置，能相應(yīng)地與增量式編碼器和采用EnDat2.2接口的絕對(duì)式編碼器進(jìn)行信號(hào)交流。模塊的收發(fā)單元支持的是RS-485形式，差分信號(hào)和單端信號(hào)通過(guò)接口芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了提高對(duì)高精度增量式編碼器數(shù)據(jù)測(cè)量精度，需在同一個(gè)增量編碼器上安裝4個(gè)讀數(shù)頭，各自測(cè)量增量式編碼器數(shù)據(jù)，再合成得到位置值。這樣，板卡上讀取編碼器信號(hào)的接口設(shè)置有4個(gè)。FPGA芯片選用賽靈思公司Spartan-3AN系列的XC3S700An,logiccells為10476。實(shí)現(xiàn)：①對(duì)增量信號(hào)的計(jì)數(shù)和參考信號(hào)的采集，在進(jìn)行計(jì)數(shù)達(dá)到參考碼道的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行增量信號(hào)的清零；②對(duì)Endat2.2絕對(duì)式編碼器位置信號(hào)的采集；③在外同步時(shí)鐘上升沿到來(lái)前，保存計(jì)數(shù)處理，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在雙口RAM中，等待DSP讀取。本模塊選用的DSP芯片為TI公司的TMS320F28335，主頻可達(dá)150MHz。TMS320F28335增加了浮點(diǎn)運(yùn)算單元，在保持了原有DSP芯片優(yōu)點(diǎn)如強(qiáng)大控制和信號(hào)處理能力、C語(yǔ)言編程效率等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，節(jié)省了代碼執(zhí)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間[7]。F28335通過(guò)GPIO端口與XC3S700An連接有4