光電編碼器

光電編碼器的寫法

光電編碼器介紹

光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90º的兩路脈沖信號。

簡介

光電編碼器(OpticalEncoder)俗稱“單鍵飛梭”，其外觀好像一個(gè)電位器，因其外部有一個(gè)可以左右旋轉(zhuǎn)同時(shí)又可按下的旋鈕，很多設(shè)備(如顯示器、示波器等)用它作為人機(jī)交互接口。

原理

光電編碼器是利用光柵衍射原理實(shí)現(xiàn)位移-數(shù)字變換,通過光電轉(zhuǎn)換,將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字量的傳感器.

常見的光電編碼器由光柵盤,發(fā)光元件和光敏元件組成.光柵實(shí)際上是一個(gè)刻有規(guī)則透光和不透光線條的圓盤,光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化,光敏元件輸出波形經(jīng)整形后,變?yōu)槊}沖信號,沒轉(zhuǎn)一圈,輸出一個(gè)脈沖.根據(jù)脈沖的變化,可以精確測量和控制設(shè)備位移量

應(yīng)用電路

EPC－755A光電編碼器的應(yīng)用

EPC－755A光電編碼用具備良好的使用性能，在角度丈量、位移丈量時(shí)抗干擾能力很強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號，且該脈沖信號經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被丈量的數(shù)字信號。因此，我們在研制汽車駕駛模擬器時(shí)，對方向盤旋轉(zhuǎn)角度的丈量選用EPC－755A光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分辨率選用360個(gè)脈沖/圈，考慮到汽車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要對編碼器的輸出信號鑒相后才能計(jì)數(shù)。圖2給出了光電編碼器實(shí)際使用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用1個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)與非門組成，計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成。

當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°，D觸發(fā)器輸出Q(波形W1)為高電平，Q(波形W2)為低電平，上面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖通過(波形W3)，送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的加脈沖輸進(jìn)端CU，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；此時(shí)，下面與非門封閉，其輸出為高電平(波形W4)。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發(fā)器輸出Q(波形W1)為低電平，Q(波形W2)為高電平，上面與非門封閉，其輸出為高電平(波形W3)；此時(shí)，下面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖通過(波形W4)，送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的減脈沖輸進(jìn)端CD，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。

汽車方向盤順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其輸出脈沖數(shù)為900個(gè)；實(shí)際使用的計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，先對其進(jìn)行復(fù)位(CLR信號)，再將其初值設(shè)為800H，即2048(LD信號)；如此，當(dāng)方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～2948，當(dāng)方向盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～1148；計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0～D11送至數(shù)據(jù)處理電路。

實(shí)際使用時(shí)，方向盤頻繁地進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于存在量化誤差，工作較長一段時(shí)間后，方向盤回中時(shí)計(jì)數(shù)電路輸出可能不是2048，而是有幾個(gè)字的偏差；為解決這一題目，我們增加了一個(gè)方向盤回中檢測電路，系統(tǒng)工作后，數(shù)據(jù)處理電路在模擬器處于非操縱狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測回中檢測電路，若方向盤處于回中狀態(tài)，而計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不是2048，可對計(jì)數(shù)電路進(jìn)行復(fù)位，并重新設(shè)置初值。

光電編碼器在重力丈量儀中的應(yīng)用

采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，把它的轉(zhuǎn)軸與重力丈量儀中補(bǔ)償旋鈕軸相連。重力丈量儀中補(bǔ)償旋鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，盡對編碼器和增量編碼器。

增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤比盡對編碼器碼盤要簡單得多且分辨率更高。一般只需要三條碼道，這里的碼道實(shí)際上已不具有盡對編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。它的碼盤的外道和中間道有數(shù)目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區(qū)（光柵），但是兩道扇區(qū)相互錯(cuò)開半個(gè)區(qū)。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈沖信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號（它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，給計(jì)數(shù)系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位信號）。從A，B兩個(gè)輸出信號的相位關(guān)系（超前或滯后）可判定旋轉(zhuǎn)的方向。由圖3（a）可見，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖比B道滯后π/2。圖3（b）是一實(shí)際電路，用A道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的正脈沖與B道整形波相‘與’，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據(jù)輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)來確定碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和相對角位移量。通常，若編碼器有N個(gè)（碼道）輸出信號，其相位差為π/N，可計(jì)數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，現(xiàn)在N=2。圖3電路的缺點(diǎn)是有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤記脈沖造成誤差，這種情況出現(xiàn)在當(dāng)某一道信號處于‘高’或‘低’電平狀態(tài)，而另一道信號正處于‘高’和‘低’之間的往返變化狀態(tài)，此時(shí)碼盤固然未產(chǎn)生位移，但是會(huì)產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤發(fā)生抖動(dòng)或手動(dòng)對準(zhǔn)位置時(shí)（下面可以看到，在重力儀丈量時(shí)就會(huì)有這種情況）。

增量光電編碼器基本波形和電路圖

四倍計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)方式的波形和電路圖

上圖是一個(gè)既能防止誤脈沖又能進(jìn)步分辨率的四倍頻細(xì)分電路。在這里，采用了有記憶功能的D型觸發(fā)器和時(shí)鐘發(fā)生電路。由圖4可見，每一道有兩個(gè)D觸發(fā)器串接，這樣，在時(shí)鐘脈沖的間隔中，兩個(gè)Q端（如對應(yīng)B道的74LS175的第2、7引腳）保持前兩個(gè)時(shí)鐘期的輸進(jìn)狀態(tài)，若兩者相同，則表示時(shí)鐘間隔中無變化；否則，可以根據(jù)兩者關(guān)系判定出它的變化方向，從而產(chǎn)生‘正向’或‘反向’輸出脈沖。當(dāng)某道由于振動(dòng)在‘高’、‘低’間往復(fù)變化時(shí)，將交替產(chǎn)生‘正向’和‘反向’脈沖，這在對兩個(gè)計(jì)數(shù)器取代數(shù)和時(shí)就可消除它們的影響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點(diǎn)）。由此可見，時(shí)鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動(dòng)頻率的可能值。由圖4還可看出，在原一個(gè)脈沖信號的周期內(nèi)，得到了四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。例如，原每圈脈沖數(shù)為1000的編碼器可產(chǎn)生4倍頻的脈沖數(shù)是4000個(gè)，其分辨率為0.09°。實(shí)際上，目前這類傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，所以只要加上細(xì)分與計(jì)數(shù)電路就可以組成一個(gè)角位移丈量系統(tǒng)(74159是4-16譯碼器)。本篇文章來由電子網(wǎng)收集整理轉(zhuǎn)載請以鏈接形式注明出處網(wǎng)址：https://dz.siaaa.com/read.php?tid-459715-fpage-1.html

驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　光電編碼器與S3C2410的硬件接口

光電編碼器與S3C24lO的接口電路如圖4所示。光電編碼器的A、B相為集電極開路輸出，由于S3C2410的I／O口電平為3．3V，所以將其通過電阻上拉到3．3V后再分別接到CPU的EINT0和EINT1上；將Pl直接接到3．3V，P2通過電阻下拉到GND。當(dāng)旋鈕按下時(shí)，P2口輸出為高電平，否則輸出為低電平。

工作狀態(tài)下，將EINTO、EINTl配置成上升沿和下降沿均觸發(fā)的外部中斷，將EINT2配置成上升沿觸發(fā)的中斷，旋鈕按下時(shí)EINT2引腳產(chǎn)生上升沿觸發(fā)中斷。

外部中斷初始化及中斷服務(wù)程序的編寫

首先必須完成CPU的I／O口和中斷的初始化工作，然后再編寫中斷處理程序。具體分為4個(gè)步驟：

初始化I／O口。在Port[_]Init()函數(shù)中，將EINT0和EINTl初始化為上升沿和下降沿均觸發(fā)的中斷。將EINT2初始化為上升沿觸發(fā)的中斷。添加中斷號。在oalint.h下添加光電編碼器中斷向量的宏定義。代碼為#defineSYSINTR[_]OED(SYSINTR[_]FIRMWARE+20)添加中斷的初始化、禁止、復(fù)位等函數(shù)，分別在OEMInterruptEnable()、OEMInterruptDisable()、OEM-InterruptDone()等函數(shù)中加入相關(guān)代碼。返同中斷標(biāo)識(shí)，由OEMInterruptHandler()函數(shù)返回中斷標(biāo)識(shí)(SYSINTR[_]OED)。

編寫流接口驅(qū)動(dòng)程序

WindowsCE．net把中斷處理分成兩個(gè)部分：中斷服務(wù)程序(ISR)和中斷服務(wù)線程(IST)。TSR通常要求越短、越快越好，它的任務(wù)就是返回中斷標(biāo)識(shí)。正由于ISR很小，只能做少量的處理，因此中斷處理器就調(diào)用IST執(zhí)行大多數(shù)的中斷處理。中斷服務(wù)線程(IST)在從waitForSingleObject()函數(shù)得到中斷已經(jīng)發(fā)生的信號前一直保持空閑；當(dāng)接收到中斷信號后，它就在本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的PDD層調(diào)用子程序，這些程序反過來訪問硬件以獲得硬件的狀態(tài)。IST使用InterruptInitialize()函數(shù)來注冊自己，然后使用WaitForSingleObject()函數(shù)等待中斷信號。如果這時(shí)中斷信號到來，則應(yīng)將光電編碼器的狀態(tài)記錄下來，保存在變量OED[_]Status中。OED[_]Status=1表示旋鈕按下，OED[_]Status=2表示旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，OED[_]Status=3表示旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

這里還有一種比較簡單的鑒相規(guī)則，具體步驟是，當(dāng)創(chuàng)建線程時(shí)讀出EINTl的電平狀態(tài)并保存在變量PreEINTl中，每次中斷到來時(shí)首先判斷EINT2是否為高電平。如果為高電平，則說明按鈕按下；如果EINT2為低電平，則判斷EINTO電平是否與PreEINTl相同。如果相同，則說明旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；反之，旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，判斷的流程如圖5所示。

光電編碼器鑒相流程框圖

WindowsCE流接口驅(qū)動(dòng)程序模型要求驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者編寫10個(gè)接口函數(shù)，針對光電編碼器的驅(qū)動(dòng)主要應(yīng)完成設(shè)備初始化和數(shù)據(jù)讀取2個(gè)函數(shù)的編寫。WindowsCE設(shè)備文件名前綴由3個(gè)大寫字母組成，操作系統(tǒng)使用這3個(gè)字母來識(shí)別與流接口驅(qū)動(dòng)程序相對應(yīng)的設(shè)備。這里定義設(shè)備文件名前綴為“OED”(OpticalEncoder)，其中設(shè)備初始化函數(shù)OED[_]Init()在WindowsCE裝載驅(qū)動(dòng)程序時(shí)用于創(chuàng)建中斷事件和中斷服務(wù)線程。在函數(shù)OED[_]Read()中將光電編碼器的狀態(tài)(OED[_]Status)返回。

封裝驅(qū)動(dòng)程序并加入到WinCE中

根據(jù)上述方法編譯出動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)還不夠，因?yàn)樗慕涌诤瘮?shù)還沒有導(dǎo)出，還需要告訴鏈接程序輸出什么樣的函數(shù)，因此必須建立一個(gè)后綴名為def的文件。在本設(shè)計(jì)中為OpticalEnccder.def。下面是此文件的內(nèi)容：

一個(gè)具體的流接口驅(qū)動(dòng)程序和注冊表是密不可分的。向WinCE內(nèi)核添加注冊表項(xiàng)的方法有兩種：一種是直接修改PlatformBuilder下的reg文件；另一種是自己編寫一個(gè)注冊表文件，通過添加組件的方法將動(dòng)態(tài)鏈接庫文件添加到內(nèi)核中。這里用第2種方法，將OpticalEncoder.dll添加到內(nèi)核中。編寫的注冊表文件內(nèi)容如下：

編寫一個(gè)CEC文件，完成對定制內(nèi)核注冊表部分的修改并將OpticalEncoder．dll添加到系統(tǒng)內(nèi)核中去，然后在PlatformBuilder中就可以直接添加已經(jīng)編寫好的驅(qū)動(dòng)程序了。