基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案

　　0 引言

　　Arduino是一款基于單片機(jī)系統(tǒng)的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它的軟硬件系統(tǒng)都具有高度的模塊化，而且軟件系統(tǒng)是完全開(kāi)源的。其硬件系統(tǒng)也是高度模塊化的，在核心控制板的外圍有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊、各種模擬量傳感器輸入模塊、總線類傳感器的輸入模塊，還有網(wǎng)絡(luò)通信模塊［1-2］.Arduino有自己特有的編程語(yǔ)言。其語(yǔ)法規(guī)則類似C/C++語(yǔ)言，IDE環(huán)境和語(yǔ)言把單片機(jī)與硬件相關(guān)的一些參數(shù)都參數(shù)化并進(jìn)行了很好的封裝，把端口都打包，寄存器、地址指針之類的基本不用管，大大降低了軟件開(kāi)發(fā)難度。因此不用開(kāi)發(fā)者去了解其硬件結(jié)構(gòu)即可對(duì)其編程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖和創(chuàng)意［3］。

　　本文提出了一種基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)怆娋幋a器的好壞進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)光電編碼器正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時(shí)的脈沖計(jì)數(shù)。

　　1 整體設(shè)計(jì)

　　該檢測(cè)儀主要由調(diào)理電路、Arduino控制板、液晶顯示電路等組成，如圖1所示。

　　CLKA和CLKB為光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的編碼信號(hào)。調(diào)理電路用來(lái)對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行整形濾波等信號(hào)處理，最后送至Arduino控制板。Arduino控制板用來(lái)實(shí)現(xiàn)光編碼器脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)兩種脈沖信號(hào)的判別。液晶顯示電路用來(lái)顯示檢測(cè)的參數(shù)，同時(shí)對(duì)不同型號(hào)光電編碼器進(jìn)行選擇控制。

　　2 硬件部分設(shè)計(jì)

　　2.1 調(diào)理電路

　　信號(hào)調(diào)理電路用于檢測(cè)信號(hào)的調(diào)理，主要是把待測(cè)交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、選通、有效值轉(zhuǎn)換、限幅等處理，送到微控制器進(jìn)行測(cè)量。

　　圖2為調(diào)理電路框圖，光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的正弦波信號(hào)A、B，經(jīng)施密特觸發(fā)器變?yōu)閍、b兩組方波信號(hào)。A 分為兩組：一路經(jīng)微分電路，在方波的上升沿形成脈沖信號(hào)d，再由門電路輸出，形成正轉(zhuǎn)脈沖，另一路經(jīng)反相器，形成反相方波c，再經(jīng)微分電路形成脈沖信號(hào)e，由門電路輸出反相脈沖g.b組方波直接連到兩個(gè)門電路的控制端，作為兩個(gè)門電路的選通信號(hào)。

　　光電編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，b組信號(hào)超前90°，它的方波正半波對(duì)應(yīng)不經(jīng)反相器a組方波的上升沿，正半波又使門電路選通，d組脈沖通過(guò)門電路形成正轉(zhuǎn)脈沖；而c組方波的上升沿對(duì)應(yīng)b組方波負(fù)半波，此時(shí)雖然微分電路輸出e脈沖，但門電路關(guān)閉，不能輸出反相脈沖g.當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，情況正好相反。最終輸出的脈沖分別送入控制檢測(cè)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)。

　　2.2 Arduino控制板

　　本檢測(cè)儀采用了意大利最新開(kāi)發(fā)的Arduino Due微控制器。Arduino Due 是一塊基于Atmel SAM3X8ECPU 的微控制器板。它是第一塊基于32 位ARM 核心的Arduino，使用32位ARM核心的Due相較于以往的使用8位AVR核心的其他Arduino更強(qiáng)大：32位核心在一個(gè)時(shí)鐘能處理32位的數(shù)據(jù)。控制板包括54個(gè)數(shù)字I/O引腳（其中12路PWM輸出），12個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)模擬輸出通道（DAC），I/O口總輸出電流為130 mA.3.3 V端口輸出能力為800 mA，5 V 端口輸出能力為800 mA，F(xiàn)LASH 512 KB（所有空間都可以儲(chǔ)存用戶程序），SRAM96 KB（兩個(gè)部分：64 KB and 32 KB），時(shí)鐘速率［4-5］為84 MHz.

　　由于Arduino due的工作電壓為3.3 V，I/O口可承載電壓也為3.3 V，所以經(jīng)過(guò)調(diào)理電路產(chǎn)生的5 V 脈沖不能直接處理。本檢測(cè)儀通過(guò)SN74lVC4245 芯片把5 V的脈沖整形為3.3 V的脈沖。

　　2.3 液晶顯示電路

　　本設(shè)計(jì)中采用了國(guó)產(chǎn)開(kāi)發(fā)的可編程智能LCD（即Programmable Smart LCD，簡(jiǎn)稱PS-LCD）。PS-LCD 是一種包含LCD顯示屏、LCD控制器、觸摸屏、人機(jī)界面處理系統(tǒng)和通信接口于一體的智能顯示模組，通過(guò)可選的通信接口與外部控制單元（如：51單片機(jī)、ARM、DSP、PC、PLC、總線設(shè)備等）連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

　　新建Designer工程，定義界面分辨率、界面切換效果和主界面等；設(shè)置背景、加入/設(shè)置控件、定義事件動(dòng)作等；PS-LCD的采用Java Script的腳本語(yǔ)言，Java Script是因特網(wǎng)上最流行的腳本語(yǔ)言，它存在于全世界所有Web 瀏覽器中，能夠增強(qiáng)用戶與Web 站點(diǎn)和Web 應(yīng)用程序之間的交互。本液晶顯示屏通過(guò)腳本編寫實(shí)時(shí)地顯示微控制器采集送過(guò)來(lái)的脈沖個(gè)數(shù)，并進(jìn)行判斷。

　　用LCD 模擬器驗(yàn)證界面效果和通信過(guò)程，重復(fù)前面步驟直到滿意為止。

　　PS-LCD 作為先進(jìn)的智能人機(jī)界面產(chǎn)品，能通過(guò)通信接口輕松靈活地與外部控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。目前，PS-LCD支持兩種通信協(xié)議：CTP（Cooky Talking Pro-tocol）協(xié)議和用戶自定義（UserDefine）協(xié)議。本檢測(cè)儀采用的是CTP協(xié)議。