基于CPLD的編碼器解碼接口、PWM輸出方案

引言
　　在數(shù)控機(jī)床或其他數(shù)控設(shè)備中，往往都會(huì)用到光柵尺或編碼器等位置傳感部件，用以來測量機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置及速度信息。那么光柵尺或編碼器測量到的數(shù)值，就需要專門的接收部件來處理。一般的編碼器輸出的信號(hào)是AB（或ABZ）相正交編碼信號(hào)，之所以這樣編碼也是為了將方向信息加入碼流，同時(shí)也有利抗干擾等方面的處理。因此在接收這個(gè)信號(hào)時(shí)就需要專門的解碼接口電路，將所得的數(shù)據(jù)也就是實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置/位置信息傳遞給處理單元，或通過總線（比如 PCI）傳遞給數(shù)控設(shè)備的中央控制系統(tǒng)中，讓控制系統(tǒng)的軟硬件根據(jù)測來的實(shí)際信息與理想（邏輯）信息進(jìn)行對比，然后根據(jù)比較的誤差結(jié)果再去調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度，或做其他中斷、開關(guān)性的輸出動(dòng)作以達(dá)到控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的目的。甚至，通過一套完整的算法來把位置、速度、力矩等信息納入體系中來，做實(shí)時(shí)反饋處理，這也就是我們所說的閉環(huán)（半閉環(huán)）處理，我們常見的算法就是PID(或PI)算法。這樣以來，就比較方便于讓機(jī)械設(shè)備在全自動(dòng)的運(yùn)行下達(dá)到快、準(zhǔn)、柔的特性。
　　1 、用CPLD來實(shí)現(xiàn)編碼器解碼接口及PWM輸出功能
　　現(xiàn)在市面上已經(jīng)有專用的編碼器信號(hào)/AB相正交編碼信號(hào)解碼接口芯片，主要是歐美等國家提供的芯片，比如HCTL-2016/HCTL-2020等產(chǎn)品。但是這些產(chǎn)品性能價(jià)格比還是比較差，功能不夠豐富，使用起來也不靈活方便，很難適合廣大客戶的需求。
　　而用中規(guī)模的CPLD來完成AB相正交編碼信號(hào)解碼功能的設(shè)計(jì)，就成了一個(gè)選擇，加之CPLD的可塑性，及日益走好的性價(jià)比趨勢，這種方案甚至成為了唯一的最優(yōu)選擇。
　　一般情況，Altera/Lattice/Xilinx的市面主流的CPLD都可以滿足設(shè)計(jì)的需求，邏輯在中等規(guī)模，約500-1000宏單元，就可以完成1-4通道解碼AB相正交編碼信號(hào)解碼功能，并且可以外加1-4通道的PWM發(fā)生，以及多路數(shù)字量I/O的擴(kuò)展功能?；蛘咄瓿?-4軸AB相解碼外加可編程脈沖發(fā)生功能。
　　而要充分利用CPLD的資源，并且達(dá)到一個(gè)高性能、高可靠性的設(shè)計(jì)，是需要足夠的技術(shù)力量保障的，這樣才會(huì)有高性加比的產(chǎn)品出現(xiàn)。
　　深圳市斯邁迪科技發(fā)展有限公司正式這樣的公司，專業(yè)從事運(yùn)動(dòng)控制SOPC（即CPLD、 FPGA）的芯片級技術(shù)方案和平臺(tái)級技術(shù)方案開發(fā)，并向市場推出多款運(yùn)動(dòng)控制SOPC芯片產(chǎn)品。其中SM2100系列就是1-4路的ABZ相編碼器信號(hào)的解碼及PWM輸出功能SOPC產(chǎn)品。
　　以下是2100系列的功能介紹
　　1.1 SM2100特點(diǎn)簡介
　　SM2100提供了1-4通道的ABZ相解碼、4倍頻、16位的編碼器計(jì)數(shù)范圍和16位的PWM脈沖發(fā)生的功能。同時(shí)在芯片內(nèi)部附加了8路通用輸入和8路通用輸出。由于芯片是SOPC技術(shù)方案，因此還可以根據(jù)客戶的具體需求做定向化的設(shè)計(jì)。
　　圖1是其功能框圖。下面是其性能指標(biāo)：
　　輸入時(shí)鐘CLK頻率最高到80MHz，標(biāo)準(zhǔn)輸入頻率40MHz；
　　PWM的占空比調(diào)節(jié)范圍0～4095，頻率調(diào)節(jié)范圍150Hz~150KHz；
　　16位編碼器計(jì)數(shù)器，可達(dá)計(jì)數(shù)范圍為：1~ 65535；
　　AB相輸入可4倍頻，AB相輸入內(nèi)接3階數(shù)字低通濾器，濾波帶寬4級可調(diào)。

圖1：SM2100功能框圖

　　1.2 SM2100的設(shè)計(jì)應(yīng)用說明
　　SM2100是一個(gè)SOPC方案，它的應(yīng)用特點(diǎn)如同常見的ASIC一樣方便，通過8位CPU接口與主控器件接口，通過內(nèi)部寄存器來設(shè)置其工作狀態(tài)及功能。
　　其中CPU接口非常簡單：
　　8根雙向數(shù)據(jù)總線：D0~7；
　　7根地址總線：A0~6；
　　1根片選線：CS_n；
　　1根讀允許線：RD_n；
　　1根寫允許線：WR_n。
　　也可以根據(jù)用戶需要，提供16位總線接口。除了數(shù)據(jù)總線增加到16根外，其它信號(hào)與8位總線接口相同。
　　下面是主要的功能設(shè)置寄存器介紹。通過這些寄存器的描述，應(yīng)用工程師們可以一目然地看清了SM2100的具體功能及如何使用。

　　1.3 SM2100的主要功能原理及應(yīng)用介紹
　　A、編碼器解碼計(jì)數(shù)功能
　　下圖2是解碼計(jì)數(shù)部分的原理：