隨著電子自動(dòng)化和智能化的普及，電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越多，這就使得正交解碼器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。數(shù)控系統(tǒng)中如機(jī)器人、測(cè)量?jī)x器、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域中。用光柵傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光陀螺進(jìn)行位置檢測(cè)和位置定位。這類測(cè)量系統(tǒng)的輸出一般為兩路相位差90°的正交脈沖信號(hào)，通過(guò)該正交解碼方案可從正交信號(hào)中獲得測(cè)量系統(tǒng)所需要的位移或角位移等測(cè)量數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制算法。

本文主要介紹采用高可靠性、低成本的Actel PPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)正交解碼系統(tǒng)，為大家提供一種正交解碼的實(shí)現(xiàn)方案。傳統(tǒng)MCU一般只支持一至兩路正交解碼，本方案是為了滿足用戶對(duì)多路正交解碼以及特殊功能需求而設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合了Actel FPGA單芯片、上電即行、低成本、低功耗、高安全性和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，使得正交解碼系統(tǒng)在傳統(tǒng)的MCU實(shí)現(xiàn)方式上得以衍生，可以應(yīng)用在各種不同需求的場(chǎng)合。本文以單路功能介紹為主，多路僅是在單獨(dú)基礎(chǔ)上的重復(fù)。

1概述

(1)功能概述

·支持位置捕獲和速度檢測(cè)：

·支持正交相位模式和時(shí)鐘／方向模式；

·根據(jù)需要可設(shè)計(jì)支持16、24、32位位置計(jì)數(shù)模式；

·支持正交錯(cuò)誤、方向改變、索引檢測(cè)等三種中斷方式；

·根據(jù)需要可設(shè)計(jì)成對(duì)多路正交信號(hào)進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)多路正交解碼；

·支持一路串口收發(fā)、地址管理、片選控制和AB相濾波處理等操作；

·系統(tǒng)頻率為70MHz，超過(guò)一般MCU的采樣頻率；

·資源占用率低。單路24位模式、支持中斷控制、支持正交相位和時(shí)鐘／方向模式、支持位置捕獲的正交解碼可用Actel的A3P030實(shí)現(xiàn)，多路可用A3P060及以上器件實(shí)現(xiàn)，具體資源占用情況與實(shí)際功能需求有關(guān)；

·FPGA的可編程性使得功能設(shè)計(jì)非常靈活，可以根據(jù)用戶需求定制特殊功能；

·真正完美的單芯片、低成本、低功耗解決方案；

·ActelFPGA的FlashLock和AES雙重加密，保護(hù)您的設(shè)計(jì)；

·Actel FPGA的固件錯(cuò)誤免疫使得系統(tǒng)可以工作于較惡劣的環(huán)境中，可靠性極高。

(2)系統(tǒng)框圖

圖1是基于Actel FPGA的正交解碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該正交解碼系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由方向識(shí)別、地址管理、位置捕獲、速度捕獲、中斷控制和串口收發(fā)等模塊構(gòu)成。萁中，方向識(shí)別模塊主要完成將外部輸入的A、B相信號(hào)進(jìn)行細(xì)分和辨向：地址管理模塊用于管理系統(tǒng)內(nèi)部的寄存器地址：位置捕獲模塊用于跟蹤外部電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置：速度捕獲模塊用于檢測(cè)外部電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度：中斷控制模塊用于管理正交錯(cuò)誤中斷、方向改變中斷、索引檢測(cè)中斷的使能和觸發(fā)：串口收發(fā)模塊主要用于本系統(tǒng)與PC機(jī)、以及本系統(tǒng)與MCU之間的數(shù)據(jù)傳輸。

按照接口類別劃分，可以把整個(gè)系統(tǒng)的接口分為：基本接口、地址接口、數(shù)據(jù)接口、控制接口、串口接口、正交接口等。詳細(xì)的接口信息如表1所示。

2各功能模塊介紹

(1)方向識(shí)別模塊

方向識(shí)別模塊只有在正交相位模式時(shí)才會(huì)用到，而在時(shí)鐘／方向模式時(shí)不會(huì)用到，除此之外，兩種模式完全一樣。在正交相位模式中，編碼器產(chǎn)生兩個(gè)相位差為90度的時(shí)鐘信號(hào)，它們的邊沿關(guān)系被用來(lái)確定旋轉(zhuǎn)的方向。設(shè)A相超前時(shí)為正向計(jì)數(shù)，則B相超前時(shí)為反向計(jì)數(shù)。由圖2和圖3兩個(gè)正交信號(hào)時(shí)序網(wǎng)可以得出，正向時(shí)AB狀態(tài)分別以01、00、10、11循環(huán)出現(xiàn)。我們?nèi)藶閷?duì)這幾個(gè)狀態(tài)編號(hào)使AB狀態(tài)為0l時(shí)對(duì)應(yīng)1：AB狀態(tài)為00時(shí)對(duì)應(yīng)2；AB狀態(tài)為10時(shí)對(duì)應(yīng)3；AB狀態(tài)為11時(shí)對(duì)應(yīng)4。不難得到正向計(jì)數(shù)時(shí)、對(duì)應(yīng)自然數(shù)的變化規(guī)律為1、2、3、4、1、2、3、4……循環(huán)變化，下一狀態(tài)減去前一狀態(tài)所得到的值只有兩種情況(1或是，3)。同理，反向計(jì)數(shù)時(shí)AB狀態(tài)變化對(duì)應(yīng)的自然數(shù)為3、2、1、4、3、2、1、4……循環(huán)變化，下一個(gè)狀態(tài)減去前一個(gè)狀態(tài)所得到的值也只有兩種情況(－1或是3)。通過(guò)下一狀態(tài)和前一狀態(tài)的差值可以判斷出正交信號(hào)的方向信息。

(2)位置捕獲模塊

位置捕獲模塊的核心部分是根據(jù)A、B相的邊沿進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)。在正交相位模式下，A相的邊沿超前B相的邊沿時(shí)，位置計(jì)數(shù)器在每檢測(cè)到一個(gè)邊沿就加1；A相的邊沿落后B相的邊沿時(shí)，位置計(jì)數(shù)器在每檢測(cè)到一個(gè)邊沿就減1。

在時(shí)鐘／方式模式下，編碼器產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)和一個(gè)方向信號(hào)來(lái)分別表示步長(zhǎng)和旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)方向信號(hào)為高電平時(shí)，位置計(jì)數(shù)器在每檢測(cè)到一個(gè)邊沿就加1；當(dāng)方向信號(hào)為低電平時(shí)，位置計(jì)數(shù)器在每檢測(cè)到一個(gè)邊沿就減1。具體的時(shí)鐘／方向信號(hào)如圖4所示。

(3)地址管理模塊

地址管理模塊包括寫寄存器地址管理和讀寄存器地址管理。寫寄存器地址管理主要是根據(jù)MCU發(fā)送的寫寄存器地址來(lái)進(jìn)行相應(yīng)寄存器的更新。讀寄存器地址管理主要是根據(jù)Mcu發(fā)送的讀寄存器地址來(lái)把相應(yīng)的寄存器值傳送到數(shù)據(jù)接口。典型的讀寫操作時(shí)序如圖5和圖6所示。

(4)速度檢測(cè)模塊

在該正交解碼系統(tǒng)中，速度檢測(cè)采用定時(shí)一分鐘，并在一分鐘內(nèi)檢測(cè)A、B相的邊沿個(gè)數(shù)，MCU通過(guò)讀取速度寄存器的值就可以得知一分鐘內(nèi)的邊沿?cái)?shù)，從而變相測(cè)出速度值。實(shí)際定時(shí)時(shí)間可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。

(5)中斷控制模塊

該正交解碼系統(tǒng)支持正交錯(cuò)誤、方向改變、索引檢測(cè)三種中斷方式。每個(gè)中斷都有相應(yīng)的中斷使能位和中斷標(biāo)志位。只有在中斷被使能時(shí)，中斷條件滿足時(shí)才會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)中斷。當(dāng)中斷標(biāo)志位為1時(shí)，通過(guò)向該中斷標(biāo)志位寫1可清除中斷標(biāo)志位，否則中斷標(biāo)志位一直保持。

(6)串口收發(fā)模塊

該正交解碼系統(tǒng)中，串口發(fā)送模塊的功能是：當(dāng)MCU判斷FPGA當(dāng)前沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，可以發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA的串口寄存器，F(xiàn)PGA再把相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī)。串口接收模塊的功能是：當(dāng)PC機(jī)通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA時(shí)，F(xiàn)PGA接收數(shù)據(jù)并置數(shù)據(jù)標(biāo)志位，并通知MCU把數(shù)據(jù)讀走。由此看出，F(xiàn)PGA在PC機(jī)和MCU之間起數(shù)據(jù)鏈路的作用。

3市場(chǎng)應(yīng)用

正交解碼器在電機(jī)控制市場(chǎng)占有率較大，它主要用于一些需要電機(jī)控制的數(shù)控系統(tǒng)中，如機(jī)器人、測(cè)量?jī)x器、數(shù)控機(jī)床、軌道控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域。隨著電子自動(dòng)化和智能化的普及，電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越多，這也使得正交解碼器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。該正交解碼系統(tǒng)的典型應(yīng)用如圖7所示。

4小結(jié)

本文主要介紹了基于Actel FPGA的正交解碼系統(tǒng)的功能和應(yīng)用。敬請(qǐng)關(guān)注周立功公司的網(wǎng)站www.zlgmcu.com以獲得更多的信息。我們有著一個(gè)接近30人的FPGA團(tuán)隊(duì)提供強(qiáng)有力的售后服務(wù)和技術(shù)支持，解決用戶在產(chǎn)品使用和研發(fā)過(guò)程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯(lián)系，我們將會(huì)竭誠(chéng)為您服務(wù)，并請(qǐng)關(guān)注下期的FPGA專題技術(shù)講座。