機械測量中旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機的通用接口(07-100)

　　在準備”Freescale”杯全國大學生智能車比賽中我們開始的時候是采用紅外傳感器來測量速度，但是它受環(huán)境的干擾很大，且響應頻率很小，還達不到1K Hz，為了提高速度測量精度和響應頻率，減小環(huán)境的干擾，決定采用了旋轉(zhuǎn)編碼器，我們成功地開發(fā)了單片機與旋轉(zhuǎn)編碼器的最簡硬件接口。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器及其工作原理

　　旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量角度的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。

　　它將測量到的角度量轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號輸出，用來檢測被檢對象的角位移、角速度、角加速度、線位移、線速度和線加速度等，因而，應用十分廣泛。旋轉(zhuǎn)編碼器有絕對式和增量式兩種。絕對式所測量到的角位置是絕對位置;而增量式所測量的是轉(zhuǎn)動體角位移的累計量。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器有一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度)，將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號;另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。

　　由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

　　信號輸出有正弦波(電流或電壓),方波(TTL、HTL),集電極開路(PNP、NPN),推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動(對稱A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應與編碼器對應。編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。如單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。B兩相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。 A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。A、A- 、B、B- 、Z、Z-連接，由于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。

　　為方便用戶使用，旋轉(zhuǎn)編碼器信號有電壓、NPN、PNP、T、D多種輸出方式。不同輸出方式的抗電磁干擾的能力也不同。因而，可根據(jù)使用的具體要求選擇恰當輸出形式的旋轉(zhuǎn)編碼器。本設(shè)計采用旋轉(zhuǎn)編碼器的單相聯(lián)接輸出方波。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機的接口

　　由于工程實踐和比賽的需要，我們研究開發(fā)了一種單片機與旋轉(zhuǎn)編碼器直接接口的方法。此方法就是直接將旋轉(zhuǎn)編碼器信號端與Freescale 的S12的單片機的輸入捕捉/輸出比較通道(IOC)極為簡潔，由此構(gòu)成的系統(tǒng)極為簡單而可靠性很高。旋轉(zhuǎn)編碼器A相輸出信號，故可使用單片機的IOC1(IOC0～IOC7任意一個都可以)與之相接。實際使用時，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器信號線的長度及電磁干擾的程度，可以在旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機之間增加光電耦合器，或整形門電路，以抵抗干擾，調(diào)理旋轉(zhuǎn)編碼器的輸入信號。我們在使用中采用了電壓輸出形式的旋轉(zhuǎn)編碼器，而且信號線很短，接口電路見圖1。