摘? 要： 介紹一種應(yīng)用M/T法測(cè)速原理,采用單片機(jī)P89C51RC+IA 和EMP7064S實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量" title="轉(zhuǎn)速測(cè)量">轉(zhuǎn)速測(cè)量的硬件電路實(shí)現(xiàn)方法，并給出了碼盤(pán)脈沖預(yù)處理電路的可編程" title="可編程">可編程器件(EMP7064S)的實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞: 碼盤(pán)? 轉(zhuǎn)速測(cè)量? 測(cè)量時(shí)間? 編碼脈沖
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轉(zhuǎn)速測(cè)量是伺服控制系統(tǒng)的重要組成部分。迄今為止,測(cè)速可分為兩大類(lèi):模擬電路測(cè)速和數(shù)字電路測(cè)速。微電子技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字測(cè)速技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)字測(cè)速性能的提高,使數(shù)字測(cè)速受到人們的重視。
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟,出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字測(cè)速裝置。這樣的速度測(cè)量裝置測(cè)量范圍寬、工作方式靈活多變、適應(yīng)面廣,具有普通數(shù)字測(cè)速裝置不可比擬的優(yōu)越性。本文應(yīng)用M/T法測(cè)速原理,借助PHILIPS P89C51RC+IA和ALTERA EMP7064S實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。
1 M/T測(cè)量法工作原理
數(shù)字測(cè)速中用到的關(guān)鍵部件是光電編碼器,俗稱碼盤(pán)。碼盤(pán)是一角度傳感器,將角度信息轉(zhuǎn)變成一列脈沖串" title="脈沖串">脈沖串。刻線數(shù)m、刻線誤差ε、輸出信號(hào)的電特性是碼盤(pán)的主要技術(shù)指標(biāo)。碼盤(pán)輸出兩路相差90°的矩形脈沖串,每轉(zhuǎn)動(dòng)一周輸出m個(gè)脈沖。通過(guò)測(cè)量脈沖串的頻率即可測(cè)量轉(zhuǎn)速。
本文采用M/T法測(cè)速。此法需要一個(gè)碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)器、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)器、一個(gè)定時(shí)器。定時(shí)器設(shè)定測(cè)量時(shí)間Ts。在測(cè)量時(shí)間Ts內(nèi),同時(shí)對(duì)碼盤(pán)脈沖和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)計(jì)數(shù)。測(cè)量時(shí)間到,產(chǎn)生定時(shí)中斷,單片機(jī)執(zhí)行中斷程序,讀出碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)器和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)器的值,由計(jì)數(shù)值求出轉(zhuǎn)速。
設(shè)碼盤(pán)刻線數(shù)為m,碼盤(pán)脈沖倍頻數(shù)為n,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為T(mén)C(s),碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)值為Cm,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)值為Ct,則轉(zhuǎn)速ω=360Cm/mnTCCt(°/s)。
2 碼盤(pán)脈沖預(yù)處理的EMP7064S實(shí)現(xiàn)
采用碼盤(pán)的數(shù)字測(cè)速系統(tǒng)中,對(duì)碼盤(pán)信號(hào)的處理包括倍頻、輸出控制和方向信號(hào)的提取。
2.1 碼盤(pán)脈沖倍頻電路
對(duì)碼盤(pán)輸出脈沖倍頻,相當(dāng)于增多碼盤(pán)刻線數(shù),可提高測(cè)量準(zhǔn)確度,改善測(cè)量的動(dòng)態(tài)性能。碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)值的大小影響刻線誤差的大小。對(duì)同一個(gè)碼盤(pán),輸出信號(hào)經(jīng)碼盤(pán)脈沖倍頻電路處理后,頻率提高,相同測(cè)量時(shí)間內(nèi)對(duì)碼盤(pán)脈沖的計(jì)數(shù)值大,測(cè)量結(jié)果中刻線造成的誤差小。同時(shí),如果測(cè)量時(shí)間下限一定,可測(cè)的轉(zhuǎn)速下限就低。對(duì)碼盤(pán)脈沖處理最高可得4倍頻的脈沖信號(hào)。處理電路及時(shí)序關(guān)系如圖1所示。
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2.2 捕獲脈沖輸出控制電路
為保證測(cè)量的連續(xù)性,碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)器和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)器要不間斷地計(jì)數(shù),測(cè)量過(guò)程中不斷讀出這兩計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。為防止計(jì)數(shù)過(guò)程中計(jì)數(shù)器值不穩(wěn),出現(xiàn)誤讀,需采用有捕獲功能的計(jì)數(shù)器。在要求時(shí)刻,通過(guò)捕獲信號(hào),將計(jì)數(shù)值捕獲到寄存器中,然后讀捕獲寄存器,這樣讀出的值穩(wěn)定可靠。為確保讀出的碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)值是同一時(shí)刻,捕獲信號(hào)應(yīng)相同,這個(gè)信號(hào)就是碼盤(pán)脈沖信號(hào)。這樣,只是保證讀出的兩個(gè)計(jì)數(shù)值是同一時(shí)刻的基本條件。如果讀出數(shù)據(jù)的過(guò)程中發(fā)生新的捕獲,也將導(dǎo)致讀出的數(shù)據(jù)不是同一時(shí)刻,引起測(cè)量誤差。因此,讀完數(shù)據(jù)后,應(yīng)通過(guò)捕獲標(biāo)志判斷是否發(fā)生新的捕獲。如發(fā)生新的捕獲則重新讀數(shù),直到無(wú)新的捕獲發(fā)生為止。這種方法,如不對(duì)捕獲信號(hào)的輸出加以限制,當(dāng)碼盤(pán)輸出脈沖的頻率很高時(shí),相鄰的捕獲時(shí)間" title="捕獲時(shí)間">捕獲時(shí)間短。當(dāng)短到一定程度,捕獲時(shí)間小于程序的讀數(shù)及判斷時(shí)間時(shí),將不能讀出計(jì)數(shù)值,因而限制了測(cè)速的上限。對(duì)捕獲脈沖輸出加以控制,即為提高測(cè)速上限。功能電路及時(shí)序如圖2所示。其中,C是捕獲信號(hào),Ctl是輸出控制信號(hào),用于控制碼盤(pán)脈沖Fm的輸出。
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2.3 方向信號(hào)提取電路
當(dāng)測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí),不僅要給出速度的大小,還要給出速度的方向。由采用的測(cè)量原理可知,測(cè)量過(guò)程中不能得出方向的信息,轉(zhuǎn)動(dòng)方向只能通過(guò)碼盤(pán)輸出脈沖得到。設(shè)順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí),A超前B 90°;反之,B超前A 90°。根據(jù)這一關(guān)系可得出方向信號(hào)。實(shí)現(xiàn)此功能的電路及時(shí)序如圖3所示。D為不同電平分別代表不同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
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3 測(cè)量系統(tǒng)" title="測(cè)量系統(tǒng)">測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成
測(cè)量過(guò)程中用到一個(gè)定時(shí)器,一個(gè)帶捕獲功能的碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)器和一個(gè)帶捕獲功能的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)器。P89C51RC+IA有三個(gè)定時(shí)器TIME0~2和一個(gè)PCA可編程計(jì)數(shù)陣列。其中定時(shí)器2和PCA陣列具有計(jì)數(shù)捕獲功能。根據(jù)采用的測(cè)量方法構(gòu)成如圖4所示的測(cè)量框圖。由圖4可知,定時(shí)器2用于碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù),PCA陣列用作標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)計(jì)數(shù),定時(shí)器1用于定測(cè)量時(shí)間,這樣就構(gòu)成基本的測(cè)量系統(tǒng)。在測(cè)量時(shí)間Ts內(nèi)同時(shí)對(duì)碼盤(pán)脈沖Fm(倍頻后的信號(hào))和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)計(jì)數(shù)。定時(shí)器1每隔時(shí)間Ts就產(chǎn)生一次中斷。定時(shí)器2和PCA計(jì)數(shù)陣列都為下降沿捕獲。捕獲寄存器在a、b時(shí)刻的值分別是計(jì)數(shù)器在ti、ti+1時(shí)刻的計(jì)數(shù)值。設(shè)定時(shí)器2和PCA陣列捕獲寄存器在a、b時(shí)刻的值分別為Cti、Cti+1和Cmi、Cmi+1。則轉(zhuǎn)速為
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4 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)要正常工作,需有軟件的配合。系統(tǒng)軟件除了完成系統(tǒng)的硬件初始化外,還要完成對(duì)硬件電路的實(shí)時(shí)控制,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入輸出操作和數(shù)值的分析,并根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果作相應(yīng)的處理。由于本系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成PC ISA卡的個(gè)人儀器形式,簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),并能充分利用PC機(jī)的運(yùn)算資源,大大提高測(cè)速上限。簡(jiǎn)要測(cè)試程序框圖如圖5所示。
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本文介紹了以M/T法為基礎(chǔ),由PHILIPS P89C51RC+IA和ALTERA EMP7064S實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的數(shù)字測(cè)量法。由于P89C51RC+IA單片機(jī)定時(shí)器2、PCA可編程計(jì)數(shù)器捕獲功能的特殊結(jié)構(gòu)及EMP7064S的可編程功能,大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)的可靠性。此儀器被做成PC ISA卡的個(gè)人儀器,既可利用PC機(jī)的資源,又可簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于模擬仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的速率測(cè)量中。
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參考文獻(xiàn)
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