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一種簡單實(shí)用的測角碼盤設(shè)計(jì)方案
摘要：介紹一種制作簡單、價(jià)格便宜、應(yīng)用面廣的測角碼盤設(shè)計(jì)方案；并以碼盤信號的產(chǎn)生、處理和傳輸為主線，詳細(xì)說明工作原理，進(jìn)而再次證明其簡單便宜的突出優(yōu)點(diǎn)。測控系統(tǒng)中，經(jīng)常用到采集各種角度參數(shù)或?qū)D(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測速的角度傳感器。目前，市場上一些具有成熟技術(shù)的角度傳感器有自增角機(jī)、電位器、
碼盤、霍爾元件和齒輪計(jì)數(shù)器等。這些產(chǎn)品中，有的精度很高，但價(jià)格昂貴，有的價(jià)格便宜，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往難于同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜的要求。本文介紹一種光電碼盤設(shè)計(jì)方案，硬件結(jié)構(gòu)非常簡單、成本價(jià)格十分便宜，而且穩(wěn)定性好、使用壽命長，又能滿足多數(shù)情況下的精度要求。
1 工作原理
1.1 原始信號的產(chǎn)生
（1）信號產(chǎn)生原理
圖1是碼盤產(chǎn)生原始信號的原理示意圖。
本碼盤用于采集信號的器件是一對發(fā)光管和接收管，每個(gè)管內(nèi)有兩套收發(fā)裝置。其功能實(shí)現(xiàn)過程為：在發(fā)光管和接收管之間放一圓形黑白相間且寬度相同的編碼膠片，使三者分別處于相互平行的平面內(nèi)，將發(fā)光管和接收管中心對正，并使編碼膠片可以繞其軸心旋轉(zhuǎn)。
上電后，發(fā)光管會(huì)連續(xù)不斷地發(fā)射信號，但由于膠片是黑白相同的，所以當(dāng)黑色部分正對發(fā)光管時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的信號將被阻擋，使接收管接收不到信號；而當(dāng)白色部分正對發(fā)光管時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的信號將透過膠片射到接收管上。這樣，在接收端就得到兩路連續(xù)變化的正弦波。
（2）方向判別原理
圖2為原理示意圖。
編碼膠片寬度是收發(fā)裝置距離的兩倍，兩收發(fā)裝置位置關(guān)系應(yīng)滿足B=(0.7n 0.35) A，圖中n=0。
同理，當(dāng)膠片向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A、B信號變化恰好相反。這樣，通過A、B信號不同的變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)對方向的判別。
1.2 信號處理
圖3是碼盤信號處理電路圖。
該電路的主要任務(wù)是將產(chǎn)生的原始模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即模數(shù)轉(zhuǎn)換。由傳感器產(chǎn)生的0V為振蕩中心的正弦波信號，經(jīng)跟隨器處理后轉(zhuǎn)換為以 2.5V為振蕩中心的正弦波信號。通過調(diào)節(jié)電位器，使其波形達(dá)到最佳狀態(tài)，然后，經(jīng)過大器將正弦波信號放大10倍。此時(shí)，由于放大的拉伸作用，被鉗位在0～5V之間的信號已具有非常陡的上升沿和下降沿，最后經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后，以方波形式輸給單片機(jī)。其波形關(guān)系如圖4所示。
1.3 信號控制及傳輸
圖5為控制傳輸電路圖。
這部分主要通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對信號的處理。硬件結(jié)構(gòu)包括信號處理芯片AT89C2051、信號傳輸芯片75176和相應(yīng)的復(fù)位電路。其中，復(fù)位電路采用由MAX813L芯片組成的看門狗電路。正常工作時(shí)，由89C2051為其定時(shí)提供觸發(fā)信號，不產(chǎn)生復(fù)位；若發(fā)生錯(cuò)誤，則在距上次觸發(fā)信號1.6s后，該電路會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號，對89C2051進(jìn)行復(fù)位。
信號處理電路產(chǎn)生的方波信號A、B由端口Px.m和Px.n輸入，然后通過軟件比較端口現(xiàn)在時(shí)刻和下一時(shí)刻的狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)功能選擇。最后，通過端口Px.k控制的串行通信 芯片75176傳給主控板，實(shí)現(xiàn)信號的控制傳輸。
2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 狀態(tài)編碼
由圖4可知，A、B信號的相位相差1/4個(gè)周期，所以可得圖6所示的狀態(tài)變換圖。
若規(guī)定順序時(shí)針方向計(jì)數(shù)器為加，逆時(shí)針方向計(jì)數(shù)器為減。
這樣，通過不同狀態(tài)值的變換就可對數(shù)據(jù)進(jìn)行加操作、減操作和不操作，從而實(shí)現(xiàn)對信號的連續(xù)處理功能。
2．2 軟件編程
軟件流程如圖7所示。
主要可分為以下幾部分。
①上電開始后，軟件首先對AT89C2051的內(nèi)部寄存器和RS422串行口進(jìn)行初始化。通過對專用寄存器的賦值，設(shè)定工作狀態(tài)和通信 方式，串行通信的波特率為9600b/s。
②初始化完成后，軟件將檢測端口Px.m和Px.n的狀態(tài)，程序用兩位記錄端口相鄰狀態(tài)值，左一位代表前一狀態(tài)，右一位代表當(dāng)前狀態(tài)，然后通過帶進(jìn)位的左循環(huán)指令進(jìn)行狀態(tài)更新。通過狀態(tài)值變化，查表2，跳轉(zhuǎn)進(jìn)入執(zhí)行程序。
③在執(zhí)行程序中，可根據(jù)不同需要設(shè)定上下限進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，由于處理程序很少，執(zhí)行時(shí)間短，串行通信部分可采用查詢方式完成。
3 應(yīng)用實(shí)例
把該設(shè)計(jì)應(yīng)用到筆者開發(fā)的項(xiàng)目
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