摘 要：本文提出了采用Xilinx公司生產(chǎn)的CPLD來(lái)對(duì)多通道旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法，著重介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，以及實(shí)際應(yīng)用情況，得出了用CPLD技術(shù)為多通道編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集這樣一種切實(shí)可行的方法。
關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器 CPLD 數(shù)據(jù)采集
概述
旋轉(zhuǎn)編碼器是一種測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量器件，通常采用兩個(gè)相位差90度的方波編碼方式，其旋轉(zhuǎn)方向由兩個(gè)波形的相位差決定。當(dāng)輸出波形A超前于輸出波形B如圖1，則可認(rèn)為是正方向旋轉(zhuǎn)，反之，若輸出波形A滯后于輸出波形B如圖2，則可認(rèn)為是反方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化時(shí)，其輸出信號(hào)產(chǎn)生鏡像翻轉(zhuǎn)如圖3。
編碼器的精度由旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生方波數(shù)決定，當(dāng)旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生2000個(gè)方波時(shí)，每一個(gè)方波周期表示為360°/2000。但為了提高旋轉(zhuǎn)編碼器的測(cè)量精度，系統(tǒng)將A、B兩相的各個(gè)沿進(jìn)行了計(jì)數(shù)，從而將測(cè)量精度提高了四倍，相當(dāng)于最小的測(cè)量角度為360°/8000。
旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，以及可以將各種參數(shù)角度化的參數(shù)的測(cè)量，通過(guò)與各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合，可以測(cè)量多種物體的邊緣形狀、各種機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)偏差等。
本論文主要根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼的輸出信號(hào)特點(diǎn)，提出了采用CPLD技術(shù)，來(lái)完成6個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)測(cè)量，采用CPLD技術(shù)，設(shè)計(jì)適合于PC機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡的硬件以及軟件，并給出了實(shí)際調(diào)試及應(yīng)用結(jié)果。
1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)接口、光電隔離和信號(hào)校正、編碼計(jì)數(shù)以及PC接口組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)接口將旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)通過(guò)一定的接插件引入到采集卡中，隨后通過(guò)光電隔離與信號(hào)校正，送入到由CPLD器件實(shí)現(xiàn)的編碼器計(jì)數(shù)。宿主機(jī)通過(guò)ISA總線來(lái)對(duì)編碼器的計(jì)數(shù)進(jìn)行控制與讀取。
1.2光電隔離和信號(hào)校正
旋轉(zhuǎn)編碼器的控制電源可以在較大范圍內(nèi)變化使用，為了確保系統(tǒng)的安全可靠，必須進(jìn)行光電隔離。
由于旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)頻率達(dá)100kHz，所以應(yīng)選用高速的光電隔離器件，如具有1M數(shù)據(jù)速率的4N135/136，或10M數(shù)據(jù)速率的4N137等。同時(shí)為了防止噪聲引起的信號(hào)抖動(dòng)，應(yīng)采用斯密特觸發(fā)器進(jìn)行抗抖和信號(hào)校正。
1.3編碼器計(jì)數(shù)
編碼器計(jì)數(shù)由CPLD器件來(lái)完成。CPLD是復(fù)雜可編程邏輯器件的簡(jiǎn)稱。系統(tǒng)選用Xilinx生產(chǎn)的XC9500系列CPLD，它是一種FLASH編程型的可編程邏輯器件。該產(chǎn)品采用先進(jìn)的FastFLASH技術(shù)，該技術(shù)采用一個(gè)雙層的多晶硅、兩層金屬技術(shù)，可提供高達(dá)10000次以上的編程/擦寫(xiě)壽命周期，和傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)EPROM和E2PROM相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)。采用EPROM存儲(chǔ)技術(shù)雖可提供優(yōu)良存儲(chǔ)器單元且功耗較低，但它不可電擦除；采用E2PROM技術(shù)雖可電擦除，但需要較大的存儲(chǔ)器。而CPLD的FastFLASH技術(shù)是對(duì)EPROM技術(shù)的電擦除擴(kuò)展。
和普通的可編程邏輯器件相比，CPLD具有以下優(yōu)點(diǎn)：操作靈活、使用方便；高性能的邏輯能力；存儲(chǔ)元胞密度高；可靠性高；開(kāi)發(fā)迅速；經(jīng)久耐用；能實(shí)行電擦除；能為器件提供快速編程；采用ISP(系統(tǒng)同編程)技術(shù)。
XC9500系列中可供選用的片子有多種，從旋轉(zhuǎn)編碼器的測(cè)量、片子宏單元的多少以及調(diào)試的方便，系統(tǒng)最終選用了XC95108PC84。
XC95108的機(jī)械特性和電氣特性如下：宏單元數(shù)為108個(gè)；最大端口數(shù)為108個(gè)；引腳至引腳延時(shí)7.5ns；系統(tǒng)頻率為83.3MHz；支持單個(gè)OE(輸出使能)控制；支持JTAG(IEEE邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)1149.1)協(xié)議。特別值得一提的是，XC95108采用了ISP技術(shù)。因此，對(duì)器件進(jìn)行編程不再需要硬件編程器。只要一根下載電纜通過(guò)下載軟件與元件的編程接口連接即可實(shí)現(xiàn)。并且，無(wú)論產(chǎn)品處在設(shè)計(jì)或制造的哪個(gè)環(huán)節(jié)，還是產(chǎn)品已提交給用戶以后，都可以改寫(xiě)器件的邏輯功能，也就是可以通過(guò)軟件對(duì)硬件進(jìn)行升級(jí)。
六個(gè)通道的旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)由兩個(gè)XC95108完成，每個(gè)XC95108完成三個(gè)編碼器通道的編碼計(jì)數(shù)以及相關(guān)控制命令的接受和計(jì)數(shù)值的輸出，其大致功能可由圖5表示。
1.4PC機(jī)接口
六個(gè)通道的編碼器信號(hào)通過(guò)光電隔離和信號(hào)較正送入兩片XC95108后，XC95108分別對(duì)三個(gè)通道的計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行正反相計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)結(jié)果分別存放在不同的寄存器中，供宿主機(jī)PC讀取。根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，PC機(jī)接口采用ISA總線。
PC機(jī)接口要完成對(duì)ISA總線的地址譯碼，數(shù)據(jù)的緩沖和數(shù)據(jù)的雙向傳送(控制命令發(fā)送和編碼器計(jì)數(shù)值的讀取)。所有的這些功能同樣由一片CPLD器件(同樣選擇XC95108)完成，其主要功能可由圖6表示。
