基于ARM的旋轉編碼器采集模塊設計
[導讀] 旋轉編碼器作為速度和位移反饋的傳感器主要應用于數控機床高精度的閉環調速系統伺服電動機異步電動機步進電動機電梯曳引機電梯門機乃至機械軸等需要對運動速度和位移信息反饋的自動化控制場合以保證機械的高精度穩定運轉進而提高生產效率和保障安全運營 關鍵詞旋轉編碼器采集ARM
隨著工業生產自動化水平的提高各種傳感器的應用也越來越多旋轉編碼器作為速度和位移反饋的傳感器主要應用于數控機床高精度的閉環調速系統伺服電動機異步電動機步進電動機電梯曳引機電梯門機乃至機械軸等需要對運動速度和位移信息反饋的自動化控制場合以保證機械的高精度穩定運轉進而提高生產效率和保障安全運營
本文針對旋轉編碼器在工業現場中的應用基于LPCI768硬件平臺設計出一種旋轉編碼器采集模塊該模塊內部具有高精度分析整形解碼電路可同時對2路編碼器輸入信號進行分析解碼經過處理的旋轉信號通過高性能處理器進行采集及數字濾波旋轉編碼器同時還對2路編碼器信號進行角速度計算最終模塊通過CAN總線將采集到的旋轉位置值以及角速度值發送到DPU（分散處理單元）以供工業現場使用
1 旋轉編碼器
旋轉編碼器是一種測量轉動部件運動情況的傳感器是將旋轉的機械位移量轉換為電氣信號對該信號進行處理后檢測位置速度等的傳感器所謂編碼其實就是將旋轉角度的信息轉換為單片機可讀的電信號的過程旋轉編碼器根據工作原理可以分為接觸式光電式和電磁式三種}根據輸出信號的形式又可以分為增量式和絕對值兩種其中增量式編碼器是工業中最常用的編碼器
增量編碼器包括碼盤發光元件接收元件和信號處理部分當軸旋轉時帶動碼盤旋轉這樣刻線處透光問隔處不透光透過的光被接收元件接收并輸入到信號處理部分產生脈沖信號輸出輸出信號一般包括AB兩相（相位差90°）有些編碼器每轉一圈還會輸出一個零位脈沖Z作為機械參考零位當主軸以順時針方向旋轉時A通道信號位于B通道之前當主軸逆時針旋轉時A通道信號則位于B通道之后從而可以由此判斷主軸是正轉還是反轉
2 CAN總線
CAN總線（Controller Area Network）即控制器局域網是國際上應用最廣泛的現場總線之一CAN總線最初是德國Bosch公司于1983年為汽車應用而開發的它是一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網絡屬于現場總線（Field Bus）的范疇n］隨著CAN總線的不斷完善和發展它目前已被國際化標準組織采納為國際標準
CAN總線是一種多主方式的串行通訊總線基本設計規范要求有較高的位速率和高抗干擾性而且能夠檢測出產生的任何錯誤信號傳輸距離達到10 km時仍然可提供高達5kb/s的數據傳輸速率CAN協議經lSO標準化后有IS011898標準和IS011519標準兩種它們兩者的區別在于對物理層的定義不同ISOll898是通信速度為125 kb/s---1 Mb/s的CAN高速通信標準而ISOll519是通信速度為125 kb/s以下的CAN低速通信標準
3 硬件設計
根據系統功能需求本文選用NXP公司生產的LPCI768處理器該處理器是一款基于ARMCortex--M3內核的32位處理器它具有3流水線和哈佛結構帶獨立的本地指令和數據總線以及用于外設的稍微低性能的第三條總線同時還包含一個支持隨機跣轉的內部預取指單元工作頻率可達100MHzLPCI768處理器的外設組件包含高達512 kB的Flash存儲器64 kB的數據存儲器4個通用定時器8通道的12位ADC10位DAC電機控制PWM4個UART2條CAN通道帶獨立電池供電的超低功耗RTC和多達70個的通用I/0管腳．
3.1 CPU部分
由芯片手冊可知LPCI768可以選擇內部RC振蕩器或者主振蕩器作為系統時鐘源而由于內部RC振蕩器精度無法滿足CAN總線通訊的要求而主振蕩器可以工作的頻率范圍為1 MHz～25 MHz故選取12 MHz的晶振加上22 pF的電容構成Pierce振蕩器作為主振蕩器的時鐘源由于本系統未使用芯片的A/D模塊故VDDA可以跟VDD一起連接到3．3V每對VDDGND引腳間需連接一個0.1uF的去耦電容同時JTAG及通訊引腳均通過10k的上拉電阻連接到VDD以提高信號傳輸的穩定性
3.2 旋轉編碼器采集部分
旋轉編碼器應用于角度定位或測量時由于旋轉軸的晃動可能引起編碼器輸出波形的抖動從而引發誤計數現象在這種情況下就不能對波形進行正確計數本系統通過一個單穩態觸發器來消除旋轉編碼器輸出脈沖信號的抖動 分析電路可知當旋轉編碼器正轉時F1輸出脈沖序列當旋轉編碼器反轉時R1輸出脈沖序列閉電路 3.3 CAN總線通訊部分
LPC1768處理器支持CAN 2.0B規范兼容IS011898-1標準基于此本文選取飛利浦半導體公司生產的PCA82C250芯片作為CAN總線收發器通訊匹配電阻選取120 i1CAN 3.4 電源部分
LPC1768工作電壓為3. 3 V而CAN收發器及旋轉編碼器采集電路部分電壓為5 V所以先使用MC33063將輸人電壓降到5V供相關電路使用然后再通過LM1117-3.3V將5V電壓降到3.3V作為處理器工作電壓
4 軟件設計
系統采用RealView MDK-ARM V4.10為開發平臺以C語言為主要開發語言程序主要分三個部分旋轉編碼器采集部分采用中斷方式通過LPC1768的定時捕獲單元來完成對輸人脈沖信號的計數工作CAN通訊部分也采用中斷方式監聽來自DPU或者其他控制主機傳來的命令然后執行相應的數據傳送任務而主程序則通過一定的時間調度算法完成旋轉編碼器轉動方向的判斷角速度的計算以及設置相應的指示燈狀態處理CAN通訊過程中出現的異常狀況喂狗等操作
5 結論
本文設計完成的旋轉編碼器采集模塊適用于各類工業控制現場具有較廣的應用前景經實驗室初步驗證并應用于某工業現場測試該模塊對旋轉編碼器輸人信號處理結果滿足用戶要求并且能夠可靠地與現場控制系統進行通訊工作性能穩定具有很強的抗千擾能力和很高的安全性
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