宋露露

摘要 光柵位移傳感實驗可以幫助光電、信息類專業(yè)的學(xué)生深入了解光柵傳感器的原理及其工程應(yīng)用。本文基于學(xué)生的學(xué)習(xí)特點設(shè)計了一款光柵傳感實驗控制系統(tǒng)，著重闡述了核心芯片TMS320F2812的原理及對外接口技術(shù)，光柵與TMS320F2812的接口設(shè)計，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計、基于FPGA的LED顯示屏電路設(shè)計。針對傳統(tǒng)的光柵傳感實驗系統(tǒng)操作復(fù)雜、顯示缺乏人性化等問題，旨在設(shè)計一款性能穩(wěn)定、操作性較強的實驗設(shè)備。

【關(guān)鍵詞】DSP 光柵尺 光電編碼器 步進(jìn)電機(jī)

1 引言

隨著高校教育改革的不斷推進(jìn)，實驗器材也在不斷推陳出新，本文針對光電子信息類專業(yè)本、?？拼髮W(xué)生，對光柵傳感器原理及應(yīng)用的掌握需要，設(shè)計了一型基于DSP的光柵傳感器實驗系統(tǒng)，這套系統(tǒng)性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)顯示非常人性化。通過這套實驗系統(tǒng)，學(xué)生們可更加深入的了解光柵傳感器測量位移的原理及方法，加深對莫爾條紋形成的光學(xué)原理、位移放大作用和誤差平均效應(yīng)的理解，同時，實驗箱增加一些擴(kuò)展功能，方便學(xué)生做衍生實驗。

2 原理及硬件結(jié)構(gòu)

光柵傳感器實驗系統(tǒng)由7個部分組成，分別是步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路、光柵傳感器測量電路、傳動絲桿、兩個步進(jìn)電機(jī)，直流穩(wěn)壓電源、光柵線位移傳感器（光柵尺）、光柵角位移傳感器（光電編碼器）組成。其中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路由DSP及外圍數(shù)字電路組成，它能可靠監(jiān)測步進(jìn)電機(jī)的運行狀態(tài);光柵傳感器測量電路由DSP的正交編碼電路實現(xiàn)，能對光柵線位移傳感器（光柵尺）或光柵角位移傳感器（光電編碼器）輸入信號進(jìn)行處理，并通過LED精確顯示光柵線位移傳感器（光柵尺）水平位移和光柵角位移傳感器（光電編碼器）角度。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路和光柵傳感器測量電路設(shè)計在一塊電路上，采用同一片DSP實現(xiàn)。

其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 硬件實現(xiàn)

3.1 DSP控制器

光柵傳感器實驗系統(tǒng)的控制芯片采用的是TI公司的TMS320F2812，這是一款32位定點DSP芯片，該芯片的內(nèi)核工作頻率可達(dá)150MHz，機(jī)器周期可以達(dá)到6.67ns，具有12 8K x16位片上FLASH，18Kx16位片上SRAM，并且具有多達(dá)12路的脈寬調(diào)制模塊（PWM），兩路正交編碼器接口模塊（QEP），另外還具備2路SCI接口，1路SPI接口，1路CAN總線接口，1路I2C總線接口等;該芯片外部接口豐富，在系統(tǒng)管理、電機(jī)控制應(yīng)用方面具有獨到的優(yōu)勢，也非常適合做擴(kuò)展。

3.2 可編程邏輯器件

可編程邏輯器件用來實現(xiàn)電路的邏輯、時序控制，本文采用了Altera公司的Cyclonelll系列EP3C10F256型的FPGA芯片，共有10320個邏輯單元（LE），46個M9KRAM塊，23個嵌入式18 X18乘法器、2個鎖相環(huán)（PLL），具有最多182個用戶IO管腳電路以及414Kbis的內(nèi)部RAM。

3.3 驅(qū)動電路設(shè)計

電路設(shè)計中采用TMS320F2812為控制核心，采用FPGA的4路IO產(chǎn)生時序脈沖信號，通過L298P雙H橋式驅(qū)動器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制。L298P是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機(jī)驅(qū)動芯片，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機(jī)，也可以驅(qū)動一個兩相步進(jìn)電機(jī)。L298P輸入端連接標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，輸出端直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)等電感性負(fù)載;驅(qū)動芯片的輸出電壓與供電電源相關(guān)，最大可驅(qū)動46V、2A的電機(jī)。

L298P外圍接口電路圖如圖2所示。

步進(jìn)電機(jī)是一種離散運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過接收不同時序的數(shù)字脈沖信號來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止動作。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與數(shù)字脈沖頻率相關(guān)，數(shù)字脈沖頻率越快，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快;由于脈沖控速的方式?jīng)]有累積誤差，因此步進(jìn)電機(jī)可廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

具體到本電路中，是通過FPGA的10端口產(chǎn)生數(shù)字脈沖信號來控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)動作。當(dāng)INA～I(xiàn)ND按1-2—3—4一1...順序控制時，步進(jìn)電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動;當(dāng)INA～I(xiàn)ND按4—3—2—1—4--順序控制時，步進(jìn)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動時序如表1所示。

3.4 光柵測量電路設(shè)計

3.4.1 光柵線位移傳感器

光柵線位移傳感器主要應(yīng)用于直線移動機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)直線移動量的精確測量，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工的位移測量、振動測量和變形測量等領(lǐng)域。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，通過聯(lián)軸器帶動傳動絲桿轉(zhuǎn)動，傳動絲桿上的移動塊帶動光柵尺讀數(shù)頭移動，光柵尺讀數(shù)頭移動方向通過步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向控制，移動速度通過步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度控制。光柵尺讀數(shù)頭移動時會輸出A、B兩路相位相差900的TTL方波信號，同時輸出一個脈沖的Z信號，作為參考機(jī)械零位。

3.4.2 光柵角位移傳感器

光柵角位移傳感器作為角位移測控部件，目前己在數(shù)控機(jī)床、電梯行業(yè)、電腦刺繡、紡織機(jī)械、軋鋼、印刷機(jī)、工業(yè)機(jī)器人及伺服傳動、自動控制、位置檢測等方面得到廣泛應(yīng)用。本實驗箱光柵角位移傳感器采用增量式光電編碼器來實現(xiàn)測量。

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，通過轉(zhuǎn)盤、聯(lián)軸器帶動光電編碼器轉(zhuǎn)動，光電編碼器轉(zhuǎn)動時輸出相位相差900的A、B兩路TTL方波信號，每轉(zhuǎn)輸出一個脈沖的Z信號，作為參考機(jī)械零位。

3.4.3 測量電路設(shè)計

光柵尺或光電編碼器輸出的A、B、Z信號通過數(shù)字隔離、電平轉(zhuǎn)換接到事件管理器（EVA）的正交編碼電路QEP1和QEP2兩個輸入引腳;Z相脈沖信號接到EVA的QEPI1，每轉(zhuǎn)一圈QEPI1就接到一個脈沖，同時校正一下零位。EVA中定時器T2采用定向增減計數(shù)模式，并以正交編碼脈沖電路產(chǎn)生的4倍頻信號作為時鐘源，其計數(shù)值為A、B兩路信號4倍頻后脈沖數(shù)。通過QEP電路的解碼邏輯可以判斷哪個信號的相位超前，就可以推斷出定時器的計數(shù)方向，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，T2遞增計數(shù)，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時，T2遞減計數(shù)。其時序圖如圖3所示。

TMS320F2812包含兩個事件管理器EVA和EVB，每個事件管理器都含有1個QEP單元。該實驗系統(tǒng)硬件電路提供兩路QEP接入，分別接收光柵尺和光電編碼器的脈沖信號，從而實現(xiàn)光柵尺和光電編碼器的位移量計算。

通過對事件管理器的定時周期寄存器、比較寄存器、計數(shù)寄存器等進(jìn)行配置，可進(jìn)行QEP計數(shù)。QEP寄存器設(shè)置流程如下：

（1）在通用定時器2的計數(shù)器、周期和比較寄存器中載入預(yù)期值;

（2）配置T2CON寄存器，使通用定時器2工作在定向增減模式，時鐘源為QEP電路，并使能使用的通用定時器;

（3）設(shè)置CAPCONA寄存器以使能正交編碼脈沖電路。

3.5 LED顯示控制電路

LED顯示屏用于實時顯示步進(jìn)電機(jī)運行的狀態(tài)以及光柵尺、光電編碼器位移測量的值。本文設(shè)計一種由4個16 x16點陣LED模塊組成的顯示屏，它通過DSP和FPGA的控制可以實時顯示或滾動顯示任意的文字和符號。

LED顯示屏的主控制器為FPGA，可通過硬件描述語言（VHDL或Verilog）來實現(xiàn)硬件功能，有效地簡化了電路結(jié)構(gòu);而且FPGA功能強大、外部引腳數(shù)量多，擴(kuò)展性很強，因此，要控制LED大屏幕的顯示只需要用簡單的外圍電路加上一個FPGA就可以實現(xiàn)。本電路可級聯(lián)擴(kuò)展，實現(xiàn)由多個16 x16點陣LED模塊組成的顯示屏，顯示豐富的文字信息。

16 x16點陣LED模塊由4個8x8 LED顯示屏組成，本文采用動態(tài)掃描方式進(jìn)行LED的顯示驅(qū)動，列顯示采用串行傳輸信號控制，行采用從左至右的掃描方式輸出驅(qū)動信號。驅(qū)動電路采用2片74HC595移位寄存器級聯(lián)組成16位的列驅(qū)動信號、行信號采用FPGA串聯(lián)排阻加至LED點陣顯示屏的行選通端。

具體實現(xiàn)方法如下：通過字模提取工具，提取實驗箱運行所需的數(shù)字或圖文信息，將信息定義為一個大的數(shù)組，DSP根據(jù)實驗箱需顯示的狀態(tài)值，調(diào)用數(shù)組中對應(yīng)的字符碼，發(fā)送至FPGA，F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)處理模塊接收到DSP的指令后，譯碼成LED顯示所需的行、列碼值傳送至掃描驅(qū)動模塊，最后在LED顯示屏上進(jìn)行顯示。當(dāng)行掃描速度足夠快時，由于人眼的余暉效應(yīng)造成視覺暫留，就能看到顯示屏上穩(wěn)定的字符了。

4 結(jié)論

本文采用了DSP與FPGA結(jié)合的架構(gòu)，設(shè)計了實驗箱的硬件系統(tǒng);充分利用了DSP豐富的控制接口與光柵傳感器、FPGA、串口等連接，利用FPGA強大的邏輯、時序處理能力實現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制、LED顯示屏的文字和圖形的動態(tài)顯示控制。整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定、效果良好。

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