一種簡單實用的測角碼盤設計方案

摘要：介紹一種制作簡單、價格便宜、應用面廣的測角碼盤設計方案；并以碼盤信號的產(chǎn)生、處理和傳輸為主線，詳細說明工作原理，進而再次證明其簡單便宜的突出優(yōu)點。

測控系統(tǒng)中，經(jīng)常用到采集各種角度參數(shù)或對轉動機構進行測速的角度傳感器。目前，市場上一些具有成熟技術的角度傳感器有自增角機、電位器、碼盤、霍爾元件和齒輪計數(shù)器等。這些產(chǎn)品中，有的精度很高，但價格昂貴，有的價格便宜，但結構復雜，往往難于同時滿足結構簡單、價格便宜的要求。本文介紹一種光電碼盤設計方案，硬件結構非常簡單、成本價格十分便宜，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，每個管內有兩套收發(fā)裝置。其功能實現(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，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。上電后，發(fā)光管會連續(xù)不斷地發(fā)射信號，但由于膠片是黑白相同的，所以當黑色部分正對發(fā)光管時，發(fā)光管發(fā)出的信號將被阻擋，使接收管接收不到信號；而當白色部分正對發(fā)光管時，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)裝置位置關系應滿足B=(0.7n+0.35)+A，圖中n=0。

同理，當膠片向右轉動時，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。

    該電路的主要任務是將產(chǎn)生的原始模擬信號轉換為數(shù)字信號，即模數(shù)轉換。由傳感器產(chǎn)生的0V為振蕩中心的正弦波信號，經(jīng)跟隨器處理后轉換為以+2.5V為振蕩中心的正弦波信號。通過調節(jié)電位器，使其波形達到最佳狀態(tài)，然后，經(jīng)過大器將正弦波信號放大10倍。此時，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。其波形關系如圖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現(xiàn)對信號的處理。硬件結構包括信號處理芯片AT89C2051、信號傳輸芯片75176和相應的復位電路。其中，復位電路采用由MAX813L芯片組成的看門狗電路。正常工作時，由89C2051為其定時提供觸發(fā)信號，不產(chǎn)生復位；若發(fā)生錯誤，則在距上次觸發(fā)信號1.6s后，該電路會自動產(chǎn)生復位信號，對89C2051進行復位。

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)在時刻和下一時刻的狀態(tài)變化，實現(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，實現(xiàn)信號的控制傳輸。

2 軟件設計

2．1 狀態(tài)編碼

由圖4可知，A、B信號的相位相差1/4個周期，所以可得圖6所示的狀態(tài)變換圖。

若規(guī)定順序時針方向計數(shù)器為加，逆時針方向計數(shù)器為減。

這樣，通過不同狀態(tài)值的變換就可對數(shù)據(jù)進行加操作、減操作和不操作，從而實現(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的內部寄存器和RS422串行口進行初始化。通過對專用寄存器的賦值，設定工作狀態(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)，右一位代表當前狀態(tài)，然后通過帶進位的左循環(huán)指令進行狀態(tài)更新。通過狀態(tài)值變化，查表2，跳轉進入執(zhí)行程序。

③在執(zhí)行程序中，可根據(jù)不同需要設定上下限進行數(shù)據(jù)處理。同時，由于處理程序很少，執(zhí)行時間短，串行通信部分可采用查詢方式完成。

3 應用實例

把該設計應用到筆者開發(fā)的項目—某型轉達訓練系統(tǒng)上。采用圖3和圖5所示的電路設計方案，用該碼盤連續(xù)采集空中飛行目標的方位角和高低角。

以高低角采集為例，系統(tǒng)指標要求高低角變化范圍是-50～1450密位，設計中采用的編碼膠片精度是480單位/圈。如文中圖1所示，由于編碼膠片是圓形的，且一個黑色或一個魄區(qū)間均可稱為一個單位，所以計算其精度時用每圈包含的黑白區(qū)間個數(shù)確定，因此用單位/圈。對高低角增減判斷主要通過軟件編程實現(xiàn)，這段程序如下。

    MAIN1：MOV A，R4 ；讀驪盤A、B信號到碼盤狀態(tài)暫存器R4

MOV C，P3.3 ；P3.3為A信號采集端口，

RLCA ；用于A信號新舊狀態(tài)轉換

MOV C，P3.5 ；P3.5為B信號采集端口，

RLCA ；用于B信號新舊狀態(tài)轉換

MOV R4，A

ANL A，#0FH ；計算散轉地址

MOV B，#03H

MUL AB

MOV DPTR，#TIM1；TIM1為狀態(tài)真值表首地址

LJMP @A+DPTR ；散轉至真值表

然后，通過查真值表狀態(tài)值，轉入處理程序實現(xiàn)角度的加減。若出現(xiàn)丟碼現(xiàn)象，說明單片機采集速度低于碼盤轉動速度，可根據(jù)實際情況更換采集芯片或降低碼盤轉動速度。同時，通過規(guī)定編碼膠片每旋轉個單位對應的角度值變化1密位（密位是軍事用語，一種更精確的劃分角度方法，一周為360度，6000密位）和相應的單位轉換。在軟件中確定了碼盤采集量的上下限和單位變化量，從而限定了高低角的變化范圍，也達到了采集精度要求。

圖8

    通過示波器檢測硬件電路單個信號波形，得到圖8所示關系。

說明實際應用電路中各級輸出信號與原理電路的設計完全相符，軟件采集的信號為真實值。

經(jīng)實踐檢驗，該方案設計的碼盤能準確的采集目標參數(shù)，使系統(tǒng)對目標進行連續(xù)跟蹤。

本文介紹的測角碼盤設計方案使用的都是容易購買的簡單器件，且軟件編程任務量少。此外，可通過在旋轉軸上安裝微動開關實現(xiàn)碼盤計數(shù)的快慢變化，還可通過采用絕對式編碼膠片進一步提高采集精度。