基于FPGA增量式編碼器的接口設(shè)計與實現(xiàn)
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對以上3種計數(shù)方法進行分析可知，用純軟件計數(shù)雖然電路簡單，但是計數(shù)速度慢，微處理器工作量大，難以滿足實時性要求，想得到更高的指標，只能不斷地更換高性能微處理器，而且由于光電編碼器的轉(zhuǎn)速具有不可預(yù)見性，采用鎖相環(huán)進行倍頻的話會造成數(shù)據(jù)的不精確；而純硬件電路體積大且穩(wěn)定性、可靠性差、調(diào)試煩瑣，而且當電阻、電容等組件參數(shù)變化時，會導致脈寬發(fā)生變化或不能產(chǎn)生具有穩(wěn)定寬度
的脈沖。此外，RC電路抗干擾能力差，反饋部分易受外界干擾，在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)丟失脈沖現(xiàn)象，以至影響控制系統(tǒng)的精度和可靠性。
對于濾波、延時的處理方法很多，如微分型電路其信噪比小、抗干擾性差，積分型電路可以提高信噪比，但和微分型電路一樣有缺點：當輸入信號頻率高時，電容充放電不及時，導致輸出信號嚴重變形；對于各路倍頻電路來說，電阻和電容的參數(shù)不可能完全一致，所以倍頻后的各路脈沖寬度不等，而且寬度的調(diào)節(jié)也比較困難。設(shè)計采用的數(shù)字型延時電路可以很好地克服以上延時電路的缺點，延時的時間和各路倍頻的脈沖寬度由時鐘控制，倍頻后的脈沖寬度均勻一致。本文引用地址：http://2s4d.com/article/190932.htm
運用FPGA實現(xiàn)4倍頻、鑒相電路，采用全數(shù)字反饋電路的設(shè)計方法，由于倍頻、鑒相電路設(shè)計在同一芯片上，一方面，FPGA門電路高數(shù)量較大，時鐘頻率可達上百MHz的可編程邏輯器件，可以把他設(shè)計成所需的各種邏輯器件，可并行處理多項任務(wù)。因此處理速度比單片機或DSP快得多；另一方面，芯片內(nèi)部的門電路、觸發(fā)器的參數(shù)特性完全一致，能保證在相同轉(zhuǎn)速下4倍頻脈沖信號的周期保持一致。作為板級芯片，電路做在芯片內(nèi)部，其抗干擾能力比分離器件有很大提高。同時，由于現(xiàn)場可編程，可以方便地實現(xiàn)對電路的重新設(shè)計或修改，增強了系統(tǒng)的靈活性、通用性和可靠性。
3 仿真波形
用Verilog HDL語言完成電路描述，各功能模塊運用原理圖方式進行描述，芯片采用Ahera公司Cyclone系列的EP1C12Q240C8N。在Quart-usII10．0環(huán)境下進行功能和時序仿真。編譯后結(jié)果如圖3所示，A、B即為差分整形電路的輸出，當A相超前B相時，輸出正向4倍頻脈沖，OA[7．．0]為編碼器正轉(zhuǎn)時4倍頻脈沖個數(shù)；反之，輸出反向4倍頻脈沖，OB[7．．0]為反轉(zhuǎn)時4倍頻脈沖個數(shù)。利用OA[7．．0]與OB[7．．0]可以方便地實現(xiàn)編碼器的可逆計數(shù)。
4 結(jié)束語
設(shè)計了增量式光電編碼器的一種簡單且高精度的鑒相、計數(shù)和接口電路，可根據(jù)光電編碼器的轉(zhuǎn)向進行遞增或遞減計數(shù)，并可與PC機、DSP、ARM等器件直接進行并行通訊。實驗結(jié)果驗證了設(shè)計的正確性?？梢钥闯?，利用FPGA設(shè)計光電編碼器信號處理模塊，無論是設(shè)計過程，還是電路結(jié)構(gòu)、都變得更加簡潔。另外，在應(yīng)用中注意FPGA的時鐘周期應(yīng)小于編碼器脈沖的1／4，通常FPGA的時鐘已遠遠小于編碼器脈沖周期，故在FPGA中進行處理與計數(shù)是沒問題的。
文中FPGA實現(xiàn)的編碼器倍頻、鑒相電路，已經(jīng)在激光跟蹤系統(tǒng)的項目中得到驗證，在系統(tǒng)中存在抖動及毛刺等干擾的情況下，仍能獲得穩(wěn)定可靠的測量結(jié)果，并且可根據(jù)需要，任意改變參數(shù)以達到目的，這對正確和合理地使用編碼器，提高功能效益，從而在數(shù)控及機器人的死循環(huán)位置和速度控制系統(tǒng)中，提高位置調(diào)節(jié)精度、擴大速度調(diào)節(jié)范圍，都有良好的效果，是一種提高編碼器分辨率、實現(xiàn)角位移或轉(zhuǎn)速測量的優(yōu)選電路。
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