光电编码器用可编程计数电路的设计与实现

前　言

由于机电一体化技术的快速发展和应用，精密旋转位置传感器之一的光电编码器被大量使用，如在数控机床和机器人等方面的应用。在国外，用于光电编码器的可编程专用计数ＩＣ芯片（如ＰＣＣ110，ＰＣＣ120，ＰＣＣ130等）很容易买到，而在国内却成为偏冷芯片很难买到。国内目前大量使用软件方式对光电编码器的脉冲进行方向判别和计数，这种方式降低了系统控制的实时性，尤其当使用光电编码器的数量较多时;另一方面其可靠性也不及硬件电路。在计算机控制系统中，Ｉ/Ｏ数据采集板是一种常用接口板，本文针对其设计了一种16位可编程的光电编码器用计数电路（以下称可编程计数电路），它能输出光电编码器的位置的16位数字量、频率与旋转速度对应的脉冲信号和旋转方向指示电平，具有计数器预置、位置量输出的功能。

1、可编程计数电路的构成

可编程计数电路主要由方向判别电路、双脉冲加减计数电路、数字比较电路、译码控制电路、输入锁存电路、输出缓冲电路等构成（图1）。

图1　可编程计数电路构成图

光电编码器输出的Ａ、Ｂ脉冲进入方向判别器后，其正反向输出脉冲进入双时钟加减计数器，计数值可通过缓冲器被读出，同时计数值与预置值实时比较指示是否到达预定位置。方向判别器输出的双向脉冲频率与光电编码器转速相对应，经Ｆ/Ｖ转换为转速模拟电压量。

图中Ａ为光电编码器的Ａ相输出;Ｂ为光电编码器的Ｂ相输出;ＶＦ为光电编码器转速的模拟电压量;ＰＦ为光电编码器旋转方向指示电平;ＤＣ为光电编码器计数电路的控制总线;ＤＩ为光电编码器计数电路的数据输入总线;ＤＯ为光电编码器计数电路的数据输出总线;Ｅ1（Ｐ》Ｐ0）为光电编码器当前位置超越预定位置指示电平（高电平有效）;Ｅ0（Ｐ=Ｐ0）为光电编码器当前位置等于预定位置指示电平（高电平有效）;Ｅ2（Ｐ《Ｐ0）为光电编码器当前位置未及预定位置指示电平（高电平有效）。

2、可编程计数电路的设计

2.1、方向判别电路

在光电编码器的使用中，其旋转方向的判别很重要。采用ＳＴ288Ａ方向判别器作为关键器件（图2）。

图2　ＳＴ288Ａ方向判别电路

ＳＴ288Ａ是八脚双列直插封装，5Ｖ工作电源，具有集成度高、功耗小、抗干扰能力强等特点。并具有如下功能：具有内部整形电路及数字滤波功能，可去除抖动误差;具有正方向脉冲输出、反方向脉冲输出、方向指示电平输出、双向脉冲输出;它有多种输出脉冲宽度（最小0.002ｍｓ）可选择。当最小脉冲宽度为0.002ｍｓ时，对应的最高脉冲频率则为250ｋＨｚ（即ＳＴ288Ａ的输出脉冲频率范围为0～250ｋＨｚ），进而可计算出光电编码器所能测定的最高转速（500线光电编码器为500ｒ/ｍｉｎ，1000线光电编码器为250ｒ/ｍ）。Ａ、Ｂ分别为光电编码器Ａ相、Ｂ相信号的输入端。图3是ＳＴ288Ａ的工作时序图。

图3　方向判别电路时序图

2.2、加减计数器电路

计数器部分采用4个可预置4位双时钟加减计数器74ＨＣ193［2］级联组成16位加减计数电路（图4）。

图4　加减计数电路

Ｐ0～Ｐ3为计数器的4位预置数据端，与数据输入锁存器相接;ＱＡ～ＱＤ为计数器的4位数据输出端，与数据输出缓冲器相接;ＭＲ为清零端与上电清零脉冲想接;ＰＬ为预置允许端，由译码控制电路触发;ＣＵ为加脉冲输入端，ＣＤ为减脉冲输入端;ＴＣＵ为进位输出端，ＴＣＤ为借位输出端。ＣＵ和ＣＤ其中一个输入脉冲时，另一个必须处于高电平，才能进行计数工作，而从ＳＴ288Ａ输出的正、反向脉冲不能满足这个条件，因此需经反向器后进入计数器。

2.3、数字比较电路

16位数字比较电路采用4个74ＨＣ85级联构成。每个比较器的Ａ0～Ａ3接相对应计数器的输出端;Ｂ0～Ｂ3接相对应锁存器的输出端;级联的初级按Ａ=Ｂ方式接线。光电编码器的16位数字预定位置由微机Ｉ/Ｏ数据卡输出并锁存在锁存器的输出端，通过数字比较电路与16位计数电路的当前位置比较，就能适时指示出当前编码器是否到达预定位置。

2.4、译码控制电路

数据锁存电路的锁存操作、数据缓冲电路输出操作、加减计数电路的预置操作都要指令控制。译码控制电路采用3-8译码器74ＨＣ138（图5）。

图5  译码控制电路

16位Ｉ/Ｏ数据卡的输出口低8位ＤＯ0～ＤＯ7作为数据输出，高8位ＤＯ8～ＤＯ15作为控制输出;输入口的低8位ＤＩ0～ＤＩ7作为数据输入口，高8位ＤＩ8～ＤＩ15闲置不用。每个控制指令的作用时间由软件来控制。Ｉ/Ｏ数据卡的16位输出端具有锁存功能。为控制计数电路的各项操作，高8位ＤＯ8～ＤＯ15输出的各种指令控制字为：

低8位数据锁存操作控制字：81Ｈ

高8位数据锁存操作控制字：82Ｈ

低8位数据缓冲输出控制字：83Ｈ

高8位数据缓冲输出控制字：84Ｈ

16位计数器预置操作控制字：85Ｈ

2.5、频率电压变换电路

Ｆ/Ｖ变换采用集成电路ＬＭ2907Ｎ-8及外围元件构成。根据设定的电路参数可推导出变换输出电压Ｖｏ为

Ｖｏ=4×10^-5ｆ，（1）

式中　ｆ为输入脉冲信号的频率，Ｈｚ;

Ｖｏ：输出电压模拟量，Ｖ。

由于ＳＴ288Ａ的输出脉冲频率范围为0～250ｋＨｚ，因此根据式（1）Ｆ/Ｖ转换后的输出电压为0～10Ｖ，与Ｉ/Ｏ数据采集板中的Ａ/Ｄ转换范围相适应。

3、实　验

按照本文阐述的方法设计了用于微机接口的增量型光电编码器计数电路，对长春第一光学仪器厂生产的增量式编码器（ＣＨＡ，4.5～16.5Ｅ，500Ｐ/ｒ）进行了测试实验。实验中用挡块确定位置，测试了从0℃正向旋转到1440℃，又反向旋转回到0℃的过程，测试数据见表1。

表1　光电编码器用可编程计数电路的测试数据

实验结果表明它工作稳定可靠，完全满足微机与增量型光电编码器的接口要求。并可在复杂的机电一体化系统中得到广泛应用。

4、结束语

提出了一种用于微机接口的增量型光电编码器计数电路的设计方法，该电路主要由集成方向判别器、双脉冲加减计数器、数字比较器、译码控制器、数据输入锁存器、数据输出缓冲器等构成。它具有输出增量型光电编码器位置的16位数字量、旋转速度脉冲量和旋转方向指示电平，具有与微机Ｉ/Ｏ数据采集板接口的计数器锁存预置、位置量缓冲输出的功能。实验证明，该电路工作可靠稳定，实时性强，有较高的实用价值。根据不同需要还可扩展为20，24位等的光电编码器计数电路。