HENGSTLER基于CAN總線(xiàn)的編碼器檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，各種傳感器的使用也在增加。作為一種速度和位移反饋傳感器，HENGSTLER旋轉(zhuǎn)編碼器主要用于需要運(yùn)動(dòng)速度和位移信息反饋的自動(dòng)控制場(chǎng)合，例如CNC機(jī)床、高精度閉環(huán)速度控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)、異步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電梯曳引機(jī)、，電梯門(mén)電機(jī)，甚至機(jī)械軸，確保機(jī)器的高精度和穩(wěn)定運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率，確保安全運(yùn)行。

針對(duì)亨士樂(lè)編碼器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，本文基于LPCI768硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種具有高精度分析、形成和解碼電路的編碼器采集模塊，可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)編碼器的輸入信號(hào)進(jìn)行分析和解碼。處理后的旋轉(zhuǎn)信號(hào)由高性能處理器捕獲并進(jìn)行數(shù)字濾波。編碼器還計(jì)算兩個(gè)編碼器信號(hào)的角速度，末端模塊通過(guò)CAN總線(xiàn)將獲取的旋轉(zhuǎn)位置和角速度值傳輸?shù)紻PU（分布式處理單元），以供工業(yè)部門(mén)使用。

1、HENGSTLER旋轉(zhuǎn)編碼器

HENGSTLER旋轉(zhuǎn)編碼器是用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)動(dòng)的傳感器。這是一種傳感器，它將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并在處理信號(hào)后顯示位置、速度等。所謂的編碼實(shí)際上是將旋轉(zhuǎn)角度的信息轉(zhuǎn)換成可由單片機(jī)讀取的電信號(hào)的過(guò)程。根據(jù)工作原理，旋轉(zhuǎn)編碼器可分為三種類(lèi)型：接觸式、光電式和電磁式。}根據(jù)輸出信號(hào)的形狀，它可以分為兩種類(lèi)型：增量型和絕對(duì)值型。其中，增量式編碼器是業(yè)內(nèi)最常用的旋轉(zhuǎn)編碼器。

增量編碼器包括碼盤(pán)、發(fā)光元件、接收元件和信號(hào)處理部分。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，它驅(qū)動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，從而使光柵線(xiàn)透明，間隙不透明。發(fā)射的光被接收元件接收并輸入到信號(hào)處理部分以產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。輸出信號(hào)通常包括A相和B相（相差90°）。一些編碼器還輸出每轉(zhuǎn)零脈沖Z作為機(jī)械參考零點(diǎn)。當(dāng)主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A是通道B之前的信號(hào)；當(dāng)主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A的信號(hào)位于通道B之后，可用于確定主軸是向前旋轉(zhuǎn)還是向后旋轉(zhuǎn)。

2、CAN總線(xiàn)

CAN總線(xiàn)（控制器局域網(wǎng)）是世界上使用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN總線(xiàn)最初由德國(guó)博世公司于1983年為汽車(chē)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)別。隨著CAN總線(xiàn)的不斷改進(jìn)和發(fā)展，它已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

CAN總線(xiàn)是一種串行多主通信總線(xiàn)。基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求高比特率和高干擾安全性，并且可以檢測(cè)發(fā)生的錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10km時(shí)，它仍然可以提供高達(dá)5kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。根據(jù)iSO標(biāo)準(zhǔn)，CAN協(xié)議有兩種類(lèi)型：IS011898標(biāo)準(zhǔn)和IS011519標(biāo)準(zhǔn)。它們之間的區(qū)別在于物理層的定義不同。ISOll898是一種CAN高速通信標(biāo)準(zhǔn)，通信速度為125kb/s--1Mb/s，而ISOll519是一種通信速度低于125kb/s的CAN低速通信標(biāo)準(zhǔn)。

3、硬件設(shè)計(jì)

HENGSTLER編碼器根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，本文選用了NXP公司生產(chǎn)的LPCI768處理器。該處理器是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位處理器。它具有3條流水線(xiàn)和哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，以及用于外圍設(shè)備的功率稍低的第三條總線(xiàn)。同時(shí)，它還包括一個(gè)支持隨機(jī)翻譯的內(nèi)部預(yù)取單元，其工作頻率可達(dá)100MHz。LPCI768處理器的外圍組件包括高達(dá)512 kB的閃存、64 kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4個(gè)通用定時(shí)器、8通道12位ADC、10位DAC、電機(jī)控制PWM、4個(gè)UART、2個(gè)CAN通道、具有獨(dú)立電池電源的超低功耗RTC和多達(dá)70個(gè)通用I/O引腳。圖1顯示了編碼器檢測(cè)模塊的完整框圖。


圖1編碼器檢測(cè)模塊總框圖

3.1 CPU

根據(jù)芯片手冊(cè)，LPCI768可以選擇內(nèi)部RC振蕩器或主振蕩器作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。由于內(nèi)部RC振蕩器的精度不能滿(mǎn)足CAN總線(xiàn)通信的要求，并且主振蕩器的頻率范圍可以在1MHz到25MHz之間工作，因此選擇12MHz晶體振蕩器和22pF電容器以形成皮爾斯振蕩器作為主振蕩器的時(shí)鐘源。由于系統(tǒng)不使用芯片的A/D模塊，VDDA可以與VDD一起連接到3.3V。每對(duì)VDD和GND引腳之間應(yīng)連接一個(gè)0.1uF的去耦電容器。同時(shí)，JTAG和通信引腳通過(guò)10k上拉電阻連接到VDD，以提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3.2編碼器部分采集

當(dāng)HENGSTLER旋轉(zhuǎn)編碼器用于角度定位或測(cè)量時(shí)，搖動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)編碼器輸出軸形狀的抖動(dòng)，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤計(jì)數(shù)的現(xiàn)象。在這種情況下，波形無(wú)法正確計(jì)數(shù)。該系統(tǒng)使用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)消除編碼器輸出脈沖信號(hào)的抖動(dòng)。圖2顯示了一個(gè)編碼器傳感電路。


圖2編碼器檢測(cè)電路中的電路

根據(jù)電路分析，如果旋轉(zhuǎn)編碼器正向旋轉(zhuǎn)，則F1輸出脈沖序列，如果旋轉(zhuǎn)解碼器反向旋轉(zhuǎn)，則R1輸出脈沖序列。


圖3編碼器檢測(cè)電路仿真波形

CAN總線(xiàn)3.3的通信部分

LPC1768處理器支持CAN 2.0B規(guī)范，并與IS011898-1標(biāo)準(zhǔn)兼容。在此基礎(chǔ)上，本文選擇飛利浦半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的PCA82C250芯片作為CAN總線(xiàn)收發(fā)器。通信匹配電阻為120，i1，CAN收發(fā)器電路如圖4所示。


圖4 CAN收發(fā)器

3.4電源

LPC1768的工作電壓為3.3V，而CAN收發(fā)器和編碼器檢測(cè)電路的電壓為5V。因此，首先使用MC33063將相關(guān)電路的輸入電壓降至5V，然后使用LM1117-3.3V將5V電壓降至3.3V作為處理器的工作電壓。電路見(jiàn)圖5。


圖5電路

4、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用RealView MDK-ARM V4.10作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，C語(yǔ)言作為主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。程序主要分為三部分：亨士樂(lè)編碼器檢測(cè)部分采用中斷模式，通過(guò)LPC1768的時(shí)間記錄單元對(duì)輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；CAN通信部分還使用中斷模式來(lái)接收來(lái)自DPU或其他控制主機(jī)的命令，然后執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)；主程序通過(guò)特定的調(diào)度算法完成編碼器旋轉(zhuǎn)方向的評(píng)估、角速度的計(jì)算、相應(yīng)指示器狀態(tài)的設(shè)置、CAN通信過(guò)程中異常情況的處理以及狗的喂食。主程序流程圖見(jiàn)圖6。


圖6主程序流程圖

5、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的HENGSTLER編碼器檢測(cè)模塊適用于各種工業(yè)控制場(chǎng)所，具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室初步測(cè)試和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用，該模塊能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器輸入信號(hào)處理結(jié)果的要求，能夠與現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)可靠通信，工作性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，安全性高。

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