鄒華東，謝發(fā)忠，陳小林

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院，安徽 六安 237011)

0 引言

角度的精確控制和測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中具有較為廣泛的需求，最早的多尺分度盤(pán)為代表的機(jī)械式角度計(jì)量方法通常只是適用于低速和較為粗糙的場(chǎng)合，主要由人工完成，但是隨著生產(chǎn)的精密化、高速化和電子信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，這些工作已經(jīng)由角度傳感器件、相關(guān)信號(hào)處理電路再配合相應(yīng)的主控器來(lái)完成[1]。

機(jī)械式測(cè)角技術(shù)和電磁式測(cè)角技術(shù)是測(cè)角技術(shù)中研究最早的測(cè)角技術(shù)，隨著光學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測(cè)角技術(shù)以極高的測(cè)量精度受到重視，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。旋轉(zhuǎn)光電編碼器是一種將角位移轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)的傳感器，它具有體積小，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，作為光學(xué)測(cè)角法的一種常用傳感器件，在數(shù)控機(jī)床測(cè)速和定位、機(jī)器人位置檢測(cè)等方面有著廣泛的應(yīng)用[2-4]。

2011年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的帆板控制系統(tǒng)，帆板的角度需要通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，為了準(zhǔn)確確定位帆板角度，需要對(duì)帆板實(shí)際角度進(jìn)行測(cè)量并反饋給控制系統(tǒng)，同時(shí)由于帆板實(shí)際位置總是處于一種動(dòng)態(tài)的平衡位置，采用旋轉(zhuǎn)光電編碼器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要不受編碼器輸出信號(hào)中高頻尖脈沖的影響，進(jìn)行信號(hào)抗抖動(dòng)處理，準(zhǔn)確測(cè)得實(shí)際角度以進(jìn)行閉環(huán)控制。本文的抗抖動(dòng)處理電路正是出于這一應(yīng)用目的而開(kāi)發(fā)。

1 角度測(cè)量與控制系統(tǒng)

圖1為帆板控制系統(tǒng)。由鍵盤(pán)按鍵輸入帆板預(yù)定達(dá)到的角度，通過(guò)對(duì)風(fēng)扇電機(jī)的速度控制來(lái)調(diào)整風(fēng)力，系統(tǒng)對(duì)帆板的傾斜轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示，一旦帆板位置到達(dá)設(shè)定傾角的誤差范圍內(nèi)(5°)，風(fēng)扇電機(jī)的速度就維持不變。

系統(tǒng)角度測(cè)量要求的分辨力為2°，帆板的擺動(dòng)范圍為0°～60°，所以采用200線的歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6A2-CW5C增量式編碼器，在沒(méi)有細(xì)分的情況下編碼器的分辨力為1.8°；該編碼器為NPN 型集電極開(kāi)路輸出的編碼器，需在信號(hào)輸出端接一上拉電阻到電源正極。

在進(jìn)行單方向運(yùn)動(dòng)的測(cè)量時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)為相差90°的兩路正交的輸出信號(hào)，為了防止后端信號(hào)的干擾，采用光耦進(jìn)行電路隔離，可以通光耦后端信號(hào)經(jīng)過(guò)由D觸發(fā)器和兩路與非門(mén)構(gòu)成的辨向電路處理后，分兩路分別輸出正向脈沖P+和反向脈沖P-，該脈沖分別通過(guò)單片機(jī)ATM89C51的T0、T1兩個(gè)計(jì)數(shù)端口進(jìn)行計(jì)數(shù)，帆板實(shí)際角位移為(T0-T1)1.8°，獲得的角度信息由單片機(jī)控制LCD1602進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1 帆板控制系統(tǒng) 圖2 編碼器信號(hào)處理電路

風(fēng)扇的控制電機(jī)為直流電機(jī)，其風(fēng)速控制通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)量的角位移與實(shí)際設(shè)定值的差值超過(guò)允許誤差范圍時(shí)，由主控單片機(jī)1通過(guò)P2.0 、P2.1端口通知直流電機(jī)控制專(zhuān)用單片機(jī)2，如果小于設(shè)置值，逐級(jí)增加直流電機(jī)控制信號(hào)的占空比，如果大于設(shè)置值，逐級(jí)減少，直到到達(dá)預(yù)定位置， 到達(dá)指定位置時(shí)，通過(guò)握手信號(hào)線P2.2通知直流電機(jī)保持當(dāng)前控制風(fēng)機(jī)的占空比，同時(shí)由單片機(jī)2控制發(fā)光和發(fā)聲模塊進(jìn)行相應(yīng)操作，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用LM297模塊。

圖3 角度測(cè)量控制系統(tǒng)基本原理

2 風(fēng)帆動(dòng)態(tài)平衡時(shí)抖動(dòng)產(chǎn)生高頻干擾影響

圖4為光電編碼器的工作原理圖。碼盤(pán)上分布著沿著圓周等分的細(xì)小狹縫，碼盤(pán)后端放置發(fā)光元件，前端分布著三個(gè)光敏元件，當(dāng)旋轉(zhuǎn)元件帶動(dòng)編碼器的旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，當(dāng)狹縫和光電接受元件正對(duì)時(shí)，光線由狹縫穿過(guò)，由光敏元件接受，在圓周上布置好光敏元件后，能夠獲得相差90°的兩路信號(hào)A、B和計(jì)周信號(hào)Z。

風(fēng)帆在風(fēng)機(jī)的風(fēng)力和自身重力的分量達(dá)到平衡時(shí)，能夠較為穩(wěn)定的停留在相應(yīng)的位置，但這時(shí)不是一種固定的平衡，其位置在一定的范圍內(nèi)發(fā)生變化，即我們所謂的抖動(dòng)。根據(jù)示意圖可知，如果狹縫和光敏元件正好在臨界接收位置時(shí)，此時(shí)的抖動(dòng)能夠造成在某一方向的持續(xù)的小寬度的脈沖電平信號(hào)，從而造成誤計(jì)數(shù)。在電子競(jìng)賽中的帆板控制系統(tǒng)中，采用圖2所示的信號(hào)處理電路配合單片機(jī)計(jì)數(shù)時(shí)，在人工轉(zhuǎn)動(dòng)帆板并觀察液晶數(shù)顯時(shí)，讀數(shù)較為準(zhǔn)確，基本在誤差范圍內(nèi)。而當(dāng)風(fēng)帆在進(jìn)行自動(dòng)風(fēng)力調(diào)節(jié)到指定角度時(shí)，往往無(wú)法到達(dá)指定位置，根據(jù)液晶數(shù)顯指示，此時(shí)讀數(shù)已經(jīng)完全紊亂。

動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中抖動(dòng)所產(chǎn)生的影響對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，影響非常大，圖5為通過(guò)示波器所觀察的高頻尖脈沖示意，上部的方波為正常無(wú)抖動(dòng)情況下的編碼器輸出波形，而下面的波形為在平衡位置時(shí)產(chǎn)生的寬度很窄的尖脈沖。通過(guò)圖2所示的辨向電路時(shí)，尖脈沖也能在正向或者反向產(chǎn)生脈沖，影響后端電路的正常計(jì)數(shù)。

圖4 光電編碼器工作原理圖 圖5 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)高頻尖脈沖波形圖

3 改進(jìn)后的抗抖動(dòng)信號(hào)處理電路

抖動(dòng)產(chǎn)生的尖脈沖需要相關(guān)的電路或者通過(guò)軟件數(shù)字濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。目前比較常用的有數(shù)字解碼技術(shù)，通過(guò)與正常的電平持續(xù)時(shí)間的比較來(lái)去除其中的短時(shí)尖脈沖，但是增加了軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜程度很消耗單片機(jī)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)；另外一種方式是通過(guò)RC濾波電路對(duì)高頻的尖脈沖進(jìn)行濾除，但編碼器的旋轉(zhuǎn)速度通常是變化，選擇相應(yīng)的濾波頻率比較困難[5-6]。在比較并實(shí)驗(yàn)了相關(guān)的方法后，采用GAL16V8開(kāi)發(fā)了相關(guān)硬件抗抖動(dòng)處理電路。

圖6 編碼器信號(hào)倍頻辨向波形圖

編碼器的原始輸入信號(hào)A、B經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器整形，經(jīng)過(guò)一級(jí)觸發(fā)器后變?yōu)锳′、B′，經(jīng)過(guò)二級(jí)觸發(fā)器比較后變?yōu)锳″、B″，D觸發(fā)器能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行整形，尖脈沖經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器兩級(jí)整形后，其影響基本消除，由于在后續(xù)的倍頻電路中不再采用原始信號(hào)計(jì)數(shù)，所以高頻尖脈沖的影響被消除，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

在倍頻辨向電路中，采用組合時(shí)序邏輯電路實(shí)現(xiàn)對(duì) A′、B′、A″、B″四個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯組合，邏輯表達(dá)式如下：

(1)

(2)

為了簡(jiǎn)化電路模塊，采用GAL16V8作為編碼器信號(hào)處理部件，如圖7所示，其中AB信號(hào)從圖2所示電路的A2、B2端接入，用GAL器件燒入抗抖動(dòng)處理電路來(lái)取代前面的辨向電路，其中CLK時(shí)鐘信號(hào)最低為8*N*S，N為編碼器每周輸出脈沖數(shù)，S為每秒碼盤(pán)的最高轉(zhuǎn)速，在實(shí)際應(yīng)用電路中采用單片機(jī)的晶振頻率6分頻后接入，常采用2MHZ時(shí)鐘信號(hào)[7-8]。

4 抗抖動(dòng)處理電路在風(fēng)帆系統(tǒng)中的角度測(cè)量應(yīng)用

圖8為帆板控制系統(tǒng)實(shí)物圖。單片機(jī)通過(guò)T0和T1端口接入經(jīng)過(guò)光耦隔離和抗抖動(dòng)處理電路處理后的信號(hào)P+和P-，經(jīng)過(guò)當(dāng)量計(jì)算后與預(yù)置角度進(jìn)行比較，如果偏差不在許可范圍，通知主控器2進(jìn)行調(diào)節(jié)風(fēng)速，一旦到達(dá)后通知主控器2保持風(fēng)速。整個(gè)過(guò)程循環(huán)執(zhí)行。

圖7 GAL16V8連接圖 圖8 帆板控制系統(tǒng)實(shí)物圖

次數(shù)設(shè)定角度值數(shù)碼管顯示值量角器測(cè)量值15°4.95°5°215°14.85°15.4°330°30.15°31°435°35.10°35.8°545°45°46°650°49.95°49°760°59.8561°

系統(tǒng)按照競(jìng)賽要求，進(jìn)行角度控制實(shí)驗(yàn)，分別取7個(gè)角度進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。該閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)置的角度和數(shù)碼管顯示角度、量角器測(cè)量角度基本保持了一致，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中量角器的量測(cè)的精度低于編碼器的0.45°的分辨率，并且受觀測(cè)角度和擺動(dòng)時(shí)候的觀測(cè)誤差影響。

表一顯示的測(cè)量結(jié)果表明，采用抗抖動(dòng)處理的倍頻電路的角度測(cè)量系統(tǒng)能夠精確的測(cè)定實(shí)際風(fēng)帆的擺動(dòng)角度，整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；而在沒(méi)有采用該電路之前，整個(gè)控制系統(tǒng)只能采用開(kāi)環(huán)控制，其角度顯示部分在自動(dòng)控制角度時(shí)，無(wú)法做到正確的顯示帆板位置，該電路的開(kāi)發(fā)對(duì)于我校電子大賽取得優(yōu)異成績(jī)發(fā)揮了很大的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

傳感器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，受外部環(huán)境或者應(yīng)用場(chǎng)合環(huán)境的影響，感應(yīng)信號(hào)夾帶雜訊和其他的一些相關(guān)干擾是常見(jiàn)問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決往往決定了整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能的好壞。本文所開(kāi)發(fā)的光電編碼器抗抖動(dòng)信號(hào)處理電路，能夠克服光電編碼器在似動(dòng)未動(dòng)位置產(chǎn)生的高頻尖脈動(dòng)對(duì)計(jì)數(shù)的影響，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的四倍頻，提高了系統(tǒng)的分辨率。

該測(cè)量電路的開(kāi)發(fā)與傳統(tǒng)的抗抖動(dòng)濾波電路，軟件解碼數(shù)字濾波相比，可靠穩(wěn)定，減少了編程的復(fù)雜程度，對(duì)于其他的光柵、感應(yīng)同步器等輸出相差90度的兩路方波的位置檢測(cè)裝置的信號(hào)處理具有參考意義，在現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展不斷進(jìn)步的今天，包括單片機(jī)在內(nèi)的該角度檢測(cè)系統(tǒng)所有電路都可以集成到FPGA芯片中，作為一個(gè)專(zhuān)門(mén)的固件使用，應(yīng)用前景非常廣闊。

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