码盘测角技术

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1、介绍一种制作简单、价格便宜、应用介绍一种制作简单、价格便宜、应用.一种简单实用的测角码盘设计方案一种简单实用的测角码盘设计方案 10612作者：郑州防空兵学院 何宝福 刘永鸿 黄 展 来源：单片机及嵌入式系统应用 摘要：介绍一种制作简单、价格便宜、应用面广的测角码盘设计方案；并以码盘信号的产生、处理和传 输为主线，详细说明工作原理，进而再次证明其简单便宜的突出优点。 关键词：测角码盘 编码胶片 状态编码 测控系统中，经常用到采集各种角度参数或对转动机构进行测速的角度传感器。目前，市场上一些具有 成熟技术的角度传感器有自增角机、电位器、码盘、霍尔元件和齿轮计数器等。这些产品中，有的精度 很高，但

2、价格昂贵，有的价格便宜，但结构复杂，往往难于同时满足结构简单、价格便宜的要求。本文 介绍一种光电码盘设计方案，硬件结构非常简单、成本价格十分便宜，而且稳定性好、使用寿命长，又 能满足多数情况下的精度要求。1 工作原理 1.1 原始信号的产生 （1）信号产生原理 图 1 是码盘产生原始信号的原理示意图。 本码盘用于采集信号的器件是一对发光管和接收管，每个管内有两套收发装置。其功能实现过程为：在 发光管和接收管之间放一圆形黑白相间且宽度相同的编码胶片，使三者分别处于相互平行的平面内，将 发光管和接收管中心对正，并使编码胶片可以绕其轴心旋转。上电后，发光管会连续不断地发射信号， 但由于胶片是黑白相同

3、的，所以当黑色部分正对发光管时，发光管发出的信号将被阻挡，使接收管接收 不到信号；而当白色部分正对发光管时，发光管发出的信号将透过胶片射到接收管上。这样，在接收端 就得到两路连续变化的正弦波。 （2）方向判别原理 图 2 为原理示意图。 编码胶片宽度是收发装置距离的两倍，两收发装置位置关系应满足 B=(0.7n+0.35)+A，图中 n=0。 同理，当胶片向右转动时，A、B 信号变化恰好相反。这样，通过 A、B 信号不同的变化规律实现对方向 的判别。1.2 信号处理 图 3 是码盘信号处理电路图。该电路的主要任务是将产生的原始模拟信号转换为数字信号，即模数转换。由传感器产生的 0V 为振 荡中

4、心的正弦波信号，经跟随器处理后转换为以+2.5V 为振荡中心的正弦波信号。通过调节电位器，使其 波形达到最佳状态，然后，经过大器将正弦波信号放大 10 倍。此时，由于放大的拉伸作用，被钳位在 05V 之间的信号已具有非常陡的上升沿和下降沿，最后经施密特触发器整形后，以方波形式输给单片 机。其波形关系如图 4 所示。 1.3 信号控制及传输 图 5 为控制传输电路图。这部分主要通过软件编程实现对信号的处理。硬件结构包括信号处理芯片 AT89C2051、信号传输芯片 75176 和相应的复位电路。其中，复位电路采用由 MAX813L 芯片组成的看门狗电路。正常工作时，由 89C2051 为其定时提

5、供触发信号，不产生复位；若发生错误，则在距上次触发信号 1.6s 后，该电路会自 动产生复位信号，对 89C2051 进行复位。 信号处理电路产生的方波信号 A、B 由端口 Px.m 和 Px.n 输入，然后通过软件比较端口现在时刻和下一时 刻的状态变化，实现功能选择。最后，通过端口 Px.k 控制的串行通信 芯片 75176 传给主控板，实现信号 的控制传输。2 软件设计 21 状态编码 由图 4 可知，A、B 信号的相位相差 1/4 个周期，所以可得图 6 所示的状态变换图。若规定顺序时针方向计数器为加，逆时针方向计数器为减。 这样，通过不同状态值的变换就可对数据进行加操作、减操作和不操作

6、，从而实现对信号的连续处理功 能。 22 软件编程 软件流程如图 7 所示。 主要可分为以下几部分。 上电开始后，软件首先对 AT89C2051 的内部寄存器和 RS422 串行口进行初始化。通过对专用寄存器的 赋值，设定工作状态和通信 方式，串行通信的波特率为 9600b/s。 初始化完成后，软件将检测端口 Px.m 和 Px.n 的状态，程序用两位记录端口相邻状态值，左一位代表前 一状态，右一位代表当前状态，然后通过带进位的左循环指令进行状态更新。通过状态值变化，查表 2， 跳转进入执行程序。 在执行程序中，可根据不同需要设定上下限进行数据处理。同时，由于处理程序很少，执行时间短， 串行通

7、信部分可采用查询方式完成。 3 应用实例 把该设计应用到笔者开发的项目某型转达训练系统上。采用图 3 和图 5 所示的电路设计方案，用该码 盘连续采集空中飞行目标的方位角和高低角。 以高低角采集为例，系统指标要求高低角变化范围是-501450 密位，设计中采用的编码胶片精度是 480 单位/圈。如文中图 1 所示，由于编码胶片是圆形的，且一个黑色或一个魄区间均可称为一个单位，所以 计算其精度时用每圈包含的黑白区间个数确定，因此用单位/圈。对高低角增减判断主要通过软件编程实 现，这段程序如下。MAIN1：MOV A，R4 ；读骊盘 A、B 信号到码盘状态暂存器 R4 MOV C，P3.3 ；P3

8、.3 为 A 信号采集端口， RLCA ；用于 A 信号新旧状态转换 MOV C，P3.5 ；P3.5 为 B 信号采集端口， RLCA ；用于 B 信号新旧状态转换 MOV R4，A ANL A，#0FH ；计算散转地址 MOV B，#03H MUL AB MOV DPTR，#TIM1；TIM1 为状态真值表首地址 LJMP A+DPTR ；散转至真值表 然后，通过查真值表状态值，转入处理程序实现角度的加减。若出现丢码现象，说明单片机采集速度低 于码盘转动速度，可根据实际情况更换采集芯片或降低码盘转动速度。同时，通过规定编码胶片每旋转 个单位对应的角度值变化 1 密位（密位是军事用语，一种更

9、精确的划分角度方法，一周为 360 度，6000 密位）和相应的单位转换。在软件中确定了码盘采集量的上下限和单位变化量，从而限定了高低角的变 化范围，也达到了采集精度要求。图 8通过示波器检测硬件电路单个信号波形，得到图 8 所示关系。 说明实际应用电路中各级输出信号与原理电路的设计完全相符，软件采集的信号为真实值。 经实践检验，该方案设计的码盘能准确的采集目标参数，使系统对目标进行连续跟踪。 本文介绍的测角码盘设计方案使用的都是容易购买的简单器件，且软件编程任务量少。此外，可通过在 旋转轴上安装微动开关实现码盘计数的快慢变化，还可通过采用绝对式编码胶片进一步提高采集精度。一种简单实用的测角码

10、盘设计方案一种简单实用的测角码盘设计方案内容摘要：介绍一种制作简单、价格便宜、应用面广的测角码盘设计方案；并以码盘信号的产生、处理和传输为主线，详细说明工作原理，进而再次证明其简单便宜的突出优点。 测控系统中，经常用到采集各种角度参数或对转动机构进行测速的角度传感器。目前，市场上一些具有成熟技术的角度传感器有自增角机、电位器、码盘、霍尔元件和齿轮计数器等。这些产品中，有的精度很高，但价格昂贵，有的价格便宜，但结构复杂，往往难于同时满足结构简单、价格便宜的要求。本文介绍一种光电码盘设计方案，硬件结构非常简单、成本价格十分便宜，而且稳定性好、使用寿命长，又能满足多数情况下的精度要求。1 工作原理

11、1.1 原始信号的产生（1）信号产生原理图 1 是码盘产生原始信号的原理示意图。本码盘用于采集信号的器件是一对发光管和接收管，每个管内有两套收发装置。其功能实现过程为：在发光管和接收管之间放一圆形黑白相间且宽度相同的编码胶片，使三者分别处于相互平行的平面内，将发光管和接收管中心对正，并使编码胶片可以绕其轴心旋转。上电后，发光管会连续不断地发射信号，但由于胶片是黑白相同的，所以当黑色部分正对发光管时，发光管发出的信号将被阻挡，使接收管接收不到信号；而当白色部分正对发光管时，发光管发出的信号将透过胶片射到接收管上。这样，在接收端就得到两路连续变化的正弦波。（2）方向判别原理图 2 为原理示意图。编

12、码胶片宽度是收发装置距离的两倍，两收发装置位置关系应满足 B=(0.7n+0.35)+A，图中 n=0。同理，当胶片向右转动时，A、B 信号变化恰好相反。这样，通过 A、B 信号不同的变化规律实现对方向的判别。1.2 信号处理 图 3 是码盘信号处理电路图。该电路的主要任务是将产生的原始模拟信号转换为数字信号，即模数转换。由传感器产生的 0V 为振荡中心的正弦波信号，经跟随器处理后转换为以+2.5V 为振荡中心的正弦波信号。通过调节电位器，使其波形达到最佳状态，然后，经过大器将正弦波信号放大 10 倍。此时，由于放大的拉伸作用，被钳位在 05V 之间的信号已具有非常陡的上升沿和下降沿，最后经施

13、密特触发器整形后，以方波形式输给单片机。其波形关系如图 4 所示。 1.3 信号控制及传输图 5 为控制传输电路图。这部分主要通过软件编程实现对信号的处理。硬件结构包括信号处理芯片 AT89C2051、信号传输芯片 75176 和相应的复位电路。其中，复位电路采用由 MAX813L 芯片组成的看门狗电路。正常工作时，由 89C2051 为其定时提供触发信号，不产生复位；若发生错误，则在距上次触发信号 1.6s 后，该电路会自动产生复位信号，对 89C2051 进行复位。 信号处理电路产生的方波信号 A、B 由端口 Px.m 和 Px.n 输入，然后通过软件比较端口现在时刻和下一时刻的状态变化，

14、实现功能选择。最后，通过端口 Px.k 控制的串行通信 芯片 75176 传给主控板，实现信号的控制传输。2 软件设计21 状态编码由图 4 可知，A、B 信号的相位相差 1/4 个周期，所以可得图 6 所示的状态变换图。若规定顺序时针方向计数器为加，逆时针方向计数器为减。这样，通过不同状态值的变换就可对数据进行加操作、减操作和不操作，从而实现对信号的连续处理功能。22 软件编程软件流程如图 7 所示。主要可分为以下几部分。上电开始后，软件首先对 AT89C2051 的内部寄存器和 RS422 串行口进行初始化。通过对专用寄存器的赋值，设定工作状态和通信 方式，串行通信的波特率为 9600b/

15、s。初始化完成后，软件将检测端口 Px.m 和 Px.n 的状态，程序用两位记录端口相邻状态值，左一位代表前一状态，右一位代表当前状态，然后通过带进位的左循环指令进行状态更新。通过状态值变化，查表 2，跳转进入执行程序。在执行程序中，可根据不同需要设定上下限进行数据处理。同时，由于处理程序很少，执行时间短，串行通信部分可采用查询方式完成。3 应用实例把该设计应用到笔者开发的项目某型转达训练系统上。采用图 3 和图 5 所示的电路设计方案，用该码盘连续采集空中飞行目标的方位角和高低角。以高低角采集为例，系统指标要求高低角变化范围是-501450 密位，设计中采用的编码胶片精度是 480 单位/圈

16、。如文中图 1 所示，由于编码胶片是圆形的，且一个黑色或一个魄区间均可称为一个单位，所以计算其精度时用每圈包含的黑白区间个数确定，因此用单位/圈。对高低角增减判断主要通过软件编程实现，这段程序如下。MAIN1：MOV A，R4 ；读骊盘 A、B 信号到码盘状态暂存器 R4MOV C，P3.3 ；P3.3 为 A 信号采集端口，RLCA ；用于 A 信号新旧状态转换MOV C，P3.5 ；P3.5 为 B 信号采集端口，RLCA ；用于 B 信号新旧状态转换MOV R4，AANL A，#0FH ；计算散转地址MOV B，#03HMUL ABMOV DPTR，#TIM1；TIM1 为状态真值表首地址LJMP A+DPTR ；散转至真值表然后，通过查真值表状态值，转入处理程序实现角度的加减。若出现丢码现象，说明单片机采集速度低于码盘转动速度，可根据实际情况更换采集芯片或降低码盘转动速度。同时，通过规定编码胶片每旋转个单位对应的角度值变化 1 密位（密位是军事用语，一种更精确的划分角度方法，一周为 360 度，6000 密位）和相应的单位转换