增量式光电脉冲编码器的单片机计数器

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1、收 稿 日 期 :1999201214 修 改 稿 日 期 :1999206223增 量 式 光 电 脉 冲 编 码 器 的 单 片 机 计 数 器金 建 新华 中 理 工 大 学 机 械 学 院 武 汉 市 430074【 摘 要 】 文 中 重 点 讨 论 基 于 单 片 机 的 光 电 脉 冲 编 码 器 计 数 器 的 软 件 倍 频 和 辨 向 原 理 ,并 从 编 码盘 条 纹 和 位 置 检 测 元 件 的 空 间 分 布 原 理 出 发 给 出 了 在 编 码 器 输 出 A、 B 正 交 方 波 的 前 提 下 最 多 只能 4 倍 频 的 结 论 ,最 后 介 绍 了 集

2、倍 频 、 辨 向 、 计 数 于 一 体 的 单 片 机 计 数 器 原 理 ,该 计 数 器 具 有 消 除 抖动 误 计 数 、 倍 频 数 可 选 、 计 数 长 度 无 限 制 的 特 点 。关 键 词 :光 电 脉 冲 编 码 器 基 于 单 片 机 的 计 数 器 软 件 倍 频 软 件 辨 向The Counter Based on Embed - Controllerfor Incremental Opto - Electric EncoderJin JianxinSchool of Mechanical Engineering ,HUST ,Wuhan ,430074Abs

3、tract :This article mainly discusses the double frequency and discerning direction with softwaremethod of the counter based on embed - controller for incremental opto - electric encoder ,besides bythe argumentation of the space location relationship of stripe of the encoder and the movement detect2i

4、ng component ,it comes to the conclusion that under the condition of that the encoder outputs only A、B phase square waves ,at most a quadruple frequency can be achieved , then introduces a counter basedon embed - controller ,which is charactered by no shaking error counting ,a optional double freque

5、ncytime and no limit to the counting length , with all the functions such as double frequency 、 discerningdirection and counting。Key Words :Icremental Opto - Electric Encoder , Counter based on Embed - Controller ,Double Fre2quency by Software ,Discern Dirrection by Software1 光 电 脉 冲 编 码 器 对 计 数 器 的

6、 要 求光 电 脉 冲 编 码 器 又 称 光 电 脉 冲 发 生 器 ,现 在 广 泛地 被 作 为 数 控 机 床 等 设 备 的 位 置 信 息 反 馈 元 件 。 最 常用 的 两 相 光 电 脉 冲 编 码 器 的 结 构 原 理 可 见 文 献 1 。这 里 要 特 别 强 调 两 点 :(1)编 码 器 输 出 的 A、 B 两 相 矩 形 脉 冲 波 是 同 一 个光 电 盘 上 圆 周 等 分 明 暗 条 纹 的 空 间 位 置 通 过 两 个 处 在不 同 位 置 的 光 敏 三 极 管 检 测 后 在 时 间 轴 上 的 映 射 ;(2) A、 B 两 相 矩 形 脉 冲

7、 波 是 正 交 的 ,且 共 同 携 带光 电 盘 角 度 位 置 信 息 和 转 动 方 向 信 息 。假 设 光 电 盘 上 的 圆 周 等 分 条 纹 数 为 N ,则 被 测 对象 旋 转 一 周 (即 360 ) ,光 电 脉 冲 编 码 器 的 A、 B 两 相 分别 发 出 N 个 脉 冲 。 那 么 ,A、 B 两 相 的 脉 冲 当 量 P 可以 写 为 :P = 360 / N (1)通 过 一 时 钟 脉 冲 触 发 计 数 器 记 下 P 的 数 量 ,假 定P 的 数 量 为 n ,则 被 测 对 象 旋 转 的 角 度 可 写 为 : = n P (2)再 假 设

8、 在 时 间 T 内 P 的 增 量 为 n ,则 被 测 对 象旋 转 的 角 速 度 可 以 写 为 : = n P/ T (3)通 过 上 面 的 分 析 ,可 知 光 电 脉 冲 编 码 器 工 作 在 数字 形 式 ,可 直 接 用 于 测 量 角 位 移 和 角 速 度 ,间 接 用 于 测量 直 线 位 移 和 直 线 速 度 。因 此 ,要 将 编 码 器 作 为 位 置 反 馈 元 件 ,其 关 键 是 要有 记 录 (1)式 和 计 算 (2) 、 (3)式 的 解 码 计 数 电 路 。 对 解码 计 数 电 路 的 要 求 是 :(1)能 够 根 据 A、 B 相 脉

9、冲 的 相 位 自 动 判 别 光 电 脉冲 编 码 器 的 旋 转 方 向 。(2)要 有 倍 频 功 能 ,以 便 充 分 利 用 A、 B 两 相 脉 冲72第 10 期 元 器 件 与 应 用 波 共 同 携 带 的 位 置 信 息 。(3)计 数 器 应 是 可 逆 的 ,且 计 数 器 的 计 数 长 度 要 有一 定 容 量 。(4)能 实 时 以 数 字 形 式 或 模 拟 形 式 输 出 位 移 或 速度 值 ,以 适 应 不 同 的 需 要 。2 倍 频 和 辨 向 的 理 论 基 础A、 B 脉 冲 (波 形 见 图 1 :明 条 纹 对 应 1 ,暗 条 纹 对 应0)

10、共 同 编 码 携 带 光 电 盘 的 转 向 和 位 置 信 息 ,要 将 这 两种 信 息 识 别 出 来 ,其 前 提 是 要 充 分 注 意 A、 B 是 光 电 盘的 空 间 位 置 在 时 间 轴 上 的 展 开 。图 1 211 倍 频由 图 1 可 知 ,由 于 A、 B 脉 冲 波 对 应 码 盘 明 暗 条 纹的 空 间 位 置 ,其 脉 冲 的 上 升 下 降 沿 (这 里 ,上 升 还 是 下降 是 由 编 码 盘 的 转 动 方 向 决 定 的 :正 转 时 的 上 升 沿 在反 转 时 就 变 成 下 降 沿 ,反 之 则 反 )的 相 对 位 置 是 固 定 不变

11、 的 ,将 A、 B 进 行 逻 辑 半 加 ,可 以 看 出 A B 的 边 沿 永远 不 能 重 叠 。 该 边 沿 携 带 了 码 盘 的 等 分 位 置 讯 息 ,在一 个 P 的 距 离 之 内 ,包 含 22 有 个 边 沿 ,且 边 沿 之 间 的空 间 距 离 是 相 等 的 ,也 就 是 说 一 个 P 的 距 离 被 4 等 分了 。 这 个 距 离 的 等 分 是 由 如 下 事 实 决 定 的 :码 盘 的 明条 纹 宽 度 和 暗 条 纹 宽 度 是 相 等 的 ;A、 B 光 敏 三 极 管 之间 的 距 离 是 明 暗 条 纹 宽 度 的 和 的 1/ 22 ,即

12、 P/ 4。由 以 上 的 讨 论 可 以 得 出 以 下 结 论 :结 论 1 :拾 取 A B 脉 冲 的 边 沿 并 计 数 ,计 数 值 代表 了 码 盘 转 过 的 角 度 ,此 时 的 计 数 角 度 的 脉 冲 当 量 为P/ 4。结 论 2 :在 码 盘 等 分 条 纹 数 不 变 的 前 提 下 ,要 想 提高 分 辨 率 ,即 减 小 计 数 角 度 的 脉 冲 当 量 ,唯 一 的 途 径 是增 加 检 测 元 件 光 敏 三 极 管 的 个 数 ,即 增 加 编 码 器 输 出讯 号 的 数 量 ;若 输 出 讯 号 的 数 量 为 m ,则 要 求 有 m 个光 敏

13、三 极 管 ,这 m 个 光 敏 三 极 管 之 间 的 排 列 距 离 是P/ 2 m ;这 时 ,其 角 度 计 数 当 量 为 P/ 2 m 。显 然 ,对 于 只 有 A、 B 两 个 讯 号 输 出 的 光 电 脉 冲 编码 器 , m = 2 ,故 其 最 小 角 度 计 数 当 量 为 P/ 4。 这 就 是所 谓 的 倍 频 ,即 通 过 电 路 处 理 可 使 计 数 器 频 率 为 其 中一 路 讯 号 输 出 频 率 的 m 倍 。212 辨 向设 光 电 编 码 盘 的 输 出 信 号 经 过 倍 频 后 的 最 小 脉 冲当 量 为 J ,则 对 于 圆 周 上 均

14、布 有 N 条 条 纹 、 m 相 输 出信 号 的 编 码 盘 有 :J = 360 / N / 2 m (4)以 上 讨 论 的 量 ,如 P、 、 , J 都 是 矢 量 ,即 都 是 有方 向 的 量 ,那 么 以 “ + ” 表 示 码 盘 正 转 ,以 “ - ” 表 示 码 盘反 转 。 下 面 以 m = 2 时 为 例 ,讨 论 J 的 符 号 取 出 问 题 :在 图 1 中 ,假 设 码 盘 初 始 位 置 时 A、 B 输 出 的 讯 号为 A n、 B n ,且 A n = 1 , B n = 0 ;当 码 盘 正 转 一 个 J 当 量时 ,A B 有 一 个 边

15、沿 发 生 ,即 J 的 绝 对 值 增 1 ,这 时A n + 1 = 1 , B n + 1 = 1 ;依 次 往 下 正 转 , A n + 2 = 0 , B n + 2 =1 ; A n + 3 = 0 , B n + 3 = 0 ; A n + 4 = A n = 1 , B n + 4 = B n = 0。同 样 ,当 码 盘 反 转 时 ,对 应 的 A、 B 状 态 变 化 为 :A n - 1 = 0 , B n - 1 = 0 ; A n - 2 = 1 , B n - 2 = 0 ; A n - 3 = 1 ,B n - 3 = 1 ; A n - 4 = A n =

16、1 , B n - 4 = B n = 0。综 上 分 析 ,码 盘 在 转 动 时 ,其 A、 B 讯 号 状 态 是 按图 2 所 示 的 状 态 循 环 的 。图 2 图 2 中 , S i ( i = 0 ,1 ,2 ,3)表 示 编 码 盘 输 出 信 号 A、B 的 组 合 状 态 : S 0 表 示 A = 1 ,B = 1 ; S 1 表 示 A = 0 ,B= 1 ; S 2 表 示 A = 0 ,B = 0 ; S 3 表 示 A = 1 ,B = 0 ;由 此 可 知 所 谓 转 向 ,就 是 A、 B 讯 号 状 态 的 转 换 ,且 状 态 之 间 的 转 换 是 唯 一 的 。 当 A = 1 ,B = 1 时 ,若 正转 ,其 下 一 个 A、 B 讯 号 状 态 肯 定 是 A = 0 ,B = 1 ;若 反转 ,其 下 一 个 A、 B 讯 号 状 态 肯 定 是 A = 1 ,B = 0。 因此 ,根 据 A、 B 讯 号 状