基于DSP的绝对式光电编码器设计

赵 波

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033

光电编码器又称为光电角位移传感器，其采用光、机、电组合方式实时输出被测物的角度信息。采用光栅元件作为角度传感器，通过光电变换，将转动角度信息转换为相应的数字信息，用数字信息可以实现角度、位置、速度、加速度的精确测量。

光电编码器随着精度的极大提高具有广阔的应用前景，其主要民用应用领域为精密加工机床、机器人及高精度闭环调速等。军用应用领域为雷达测量和光电经纬仪等。

20世纪90年代以后，随着计算机技术及图像处理技术的飞速发展，光电编码器技术得到了极大提高，向着体积跟小、精度高方向发展。目前的光电编码器大多采用DSP芯片作为主处理器，利用DSP芯片的强大运算能力计算角度数据，时时输出目标角度信息。

1 系统组成原理

光电编码器的组成原理如图1所示。

图1 光电编码器整体结构图

如图1所示，2812为光电编码器功能核心。光电编码器各部分完成功能如下。

1）2812负责接收图像传感器的数字口图像数据，实时存入外部存储器中；当DSP芯片和D/A转换器需要图像数据时，实时将图像数据从外部存储器中取出提供给DSP芯片和D/A，V5 FPGA完成整个图像数据的实时传输。

2）光栅码盘是编码器的核心元件，它是一块具有若干同心圆码道的玻璃盘，每条码道由若干等周期的透明与不透明的线条组成。

3）串行接口采用标准422A格式接口，采用差分传输模式。

4）外采样提供需要的输入脉冲模式。

5）D/A转换将模拟信号转换为数字信号。

2 系统的硬件电路设计

2.1 电路原理图

图2 电路原理图1

图3 电路原理图2

2.2 光电接收电路

采用硅光电二极管作为光电接收器件，它有三个电极：前极（信号极），后极（正偏压极），环极（接地）。工作电路见图4。

图4 光电接收器件工作电路图

2.3 DSP处理器

在整个系统中，TI公司的TMS320F2812型号芯片是相对常用的DSP处理器，该型号的数字信号处理器隶属于32位定点DSP处理器产品簇，相对而言在DSP领域中处于领先位置。TMS320F2812芯片的频率，在理想的状态下可以高达150 MHz，对于有效提升控制系统的整体精度和芯片处理能力有着积极意义。同时该芯片基于C/C++高效32位TMS320C28x DSP内核展开工作，能够支持浮点数学函数库，因此对于实现在定点处理器上展开浮点运算能够呈现良好的胜任状态。

DSP程序是设计中重要的组成部分，主要为DSP和A/D采集芯片之间的数据交换。当DSP接收到外采样信号进行外采时，就启动A/D进行数据转换并进行采集，根据要求设置采样频率和采样通道数目，每一次数据采样完成后，将采集到的数据存入内存中，进行角度计算，送外部显示及串口输出。

图5 2812小系统框图

2.4 软件设计

为了满足采样速度的要求，软件设计采用C语言，软件主要由五部分工作流程组成。首先需要对程序展开初始化，主要工作内容为设置堆栈并且系统复位。而后展开数据采集，即对精码、中精码及粗码分别进行采集，并且采集预制零位差。随后展开细分，包括象限判别，除法运算，查表程序等方面的工作。进一步展开第一、第二次校正及对径相加程序。最后，将粗码格雷码进行编译，形成自然二进制码及第三次精粗校正，并输出总代码。

3 实验结果与结论

本文以DSP 2812为核心，设计了绝对式光电编码器。给出了具体的硬件电路设计和软件设计，系统实时性好、稳定可靠，在实际处理中有非常广泛的应用前景。

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