绝对式光电编码器的接口装置设计与应用

Ｐ １．４
Ｈ ＩＩＬ２
Ｒ３
Ｒ４
０．５Ｋ
０．５Ｋ
Ｖ ｃｃ 图 ４ 数据采集电路图
２．３ 看门狗与 Ｅ Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ 系统在工业环境下运行时， 抗干扰能力是评价其性能的一
个重要指标。看门狗电路是自行监测系统运行的重要保证， 我 们采用 Ｘ ｉｃｏｒ 公司的 Ｘ ２５０４５ 芯片将 Ｅ Ｅ ＰＲ Ｏ Ｍ 、看门狗定时器、
接 口 装 置 的 数 字 量 输 出 模 块 通 过 采 用 Ｍ Ａ Ｘ ２０２ 与 Ｍ Ａ Ｘ ４８３ 芯片实现 Ｒ Ｓ－２３２、Ｒ Ｓ－４２２ 与 Ｒ Ｓ－４８５ 输出， 以便实现 上位机及其他外部设备同 ＳＳＩ 接口绝对式编码器的数据通信。
３ 系统软件结构
接口装置在系统软件的控制下， 实现对 ＳＳＩ 接口光电编码 器 的 数 据 采 集 、数 据 处 理 、显 示 及 输 出 等 操 作 。系 统 软 件 设 计 过 程中充分利用模块化设计思想， 以实现程序结构优化， 减少主 程序运行时间， 保证一定的采样频率。 ３ ．１ 主控程序
绝对式光电编码器又可分为单转型与多转型， 单转型绝对 编码器将码盘的一周分成若干个测量步， 对应每一步都有惟一 确定的码值， 由于这些码值在每一转都会重复， 因而单转型绝 对编码器多用于旋转轴旋转量不超过一转的角度测量； 多转型 绝对编码器不仅能够对一转内每一个确定的角位置进行编码， 还能够对转数进行编码， 因而适用于旋转轴的多转角度测量。 Ｒ Ｏ Ｑ ４２５ 绝对式光电编码器是多转型绝对式编码器， 共有 ４０９６ （ １２ 位） 圈， 每圈有 ８１９２（ １３ 位） 个位置值， 其电器参数为， 工 作 电压： １０Ｖ ～３０Ｖ ； 输出码： 格雷码； 信号 输 入 ： ＴＴＬ 时 钟 信 号 ； 信 号输出： 同步串行信号（ ＳＳＩ） 。其读数时序如图 ２ 所示。
Ｖ ｃｃ
Ｄ Ａ ＴＡ ＋
Ｄ Ａ ＴＡ － Ｃ ＬＯ Ｃ Ｋ ＋ Ｃ ＬＯ Ｃ Ｋ －
１４ Ｖ ｃｃ
１３ Ｎ ．Ｃ ． Ａ
１２ １１ Ｂ １０ Ｚ ９Ｙ ８ Ｎ ．Ｃ ．
Ｎ ．Ｃ ．
ＲＯ １
ＲＥ ２ ＤＥ ３
４ Ｄ１ ５
ＧＮＤ ６
ＧＮＤ ７
Ｍ Ａ Ｘ ４９１
Ｒ１
Ｒ１
０．５Ｋ
０．５Ｋ
Ｐ １．５ Ｈ ＩＩＬ１
《装备制造技术》２００７ 年第 ５ 期
系 统 人 机 交 互 界 面 采 用 通 用 液 晶 模 块 １２２３２ 系 列 的 １２２３２Ｆ 图形点阵液晶显示器与 ４ 键独立式键盘。１２２３２Ｆ 液晶 显 示 器 内 置 ８１９２ 个 １６ ×１６ 点 汉 字 库 和 １２８ 个 １６ ×８ 点 Ａ ＳＣ ＩＩ 字 符 集 ， 主 要 由 行 驱 动 器 、列 驱 动 器 及 １２８×３２ 全 点 阵 液晶显示屏组成， 可显示图形及汉字， 实现系统参数与当前测 量值的显示。４ 键独立式键盘用于实现系统的参数设定及功能 切换。 ２．５ 数字量输出
主 控 程 序 主 要 对 系 统 进 行 初 始 化 、设 置 参 数 读 入 及 根 据 用 户需要调用相关功能模块。主控程序流程图如图 ６ 所示：
开始
系统初始化
数据采集
数据处理
Ｙ 按键？
Ｎ 数据输出
按键处理程序
图 ６ 主控程序流程图 ３ ．２ 数据采集
由编码器 Ｒ Ｏ Ｑ ４２５ 读数时序图可以看出， 编码器的绝对位 置值由时钟信号触发， 从最高位（ Ｍ ＳＢ） 开始输出与时钟信号同 步的串行信号， ＳＳＩ 标准的信号为 ２５ 位（ １２ 位圈数 ＋１３ 位单圈 位置值） 串行。当不传送信号时， 时钟和数据位均为高电平， 在 时钟信号第一个下降沿， 当前值开始储存， 从时钟信号上升沿 开始传送数据信号。部分采集程序如下：
３ ＷＰ
ＳＣＫ ７
４ Ｖ ｓｓ
８ ＳＩ
Ｘ ２５０４５
图 ５ 芯片 Ｘ ２５０４５ 与单片机硬件连接图 单片机的复位信号共有 ３ 个： 上电复位（Ｃ １、Ｒ ２）， 人工复位 （Ｓ、Ｒ １、Ｒ ２）） 和看门狗复位（Ｃ ２、Ｒ ３）。Ｘ ２５０４５ 内看门狗电路的定 时时间可由具体应用程序的循环周期决定， 通常比系统正常工 作时最大循环周期的时间略长即可。编程时， 在软件的合适地 方加一条喂狗指令， 使看门狗的定时时间永远达不到预置时 间， 系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞， 用软件陷阱等别 的方法无法捕捉回程序时， 则看门狗定时时间很快增长到预置 时间， 迫使系统复位。Ｘ ２５０４５ 内 ５１２ 字 节 的 串 行 Ｅ Ｅ ＰＲ Ｏ Ｍ 可 为用户的特殊应用提供便利， 如保存用户的设定值。 ２．４ 液晶显示与按键电路
学 出 版 社 ，９９１． ［２］ 杨金岩， 郑应强．８０５１ 单片机数据传输接口扩展技术与应用实例
［Ｍ ］．北京： 人民邮电出版社， ２００５． ［３］ 窦振中．单片机外围器件实用手册［Ｍ ］．北京：北京航空航天大学出
版 社，１９９８．
Ｄ ｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａ ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆＩｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄ ｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ａ ｂｓｏｌｕｔｅ Ｏ ｐｔｉｃａｌＥ ｎｃｏｄｅｒ
ＪＩＡ Ｎ Ｇ Ｌｉ－ｙｏｎｇ， ＬＩＷ ｅｉ－ｇｕａｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＭ ｅｃｈａｎｉｃａｌＥ ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃ ｈｉｎａ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇ ｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃ ｈｉｎａ）
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｓｏｍ ｅ ｍ ｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｓ，ｍ ａｎｙ ｏｕｔｐｕｔｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ｏｆａｂｓｏｌｕｔｅ ｏｐｔｉｃａｌｅｎｃｏｄｅｒ ｔｈａｔｕｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＳＩｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｅｖｉｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａ Ｔ８９Ｃ ５２ ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ｉｔｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ，ｄｉｓ－ ｐｌａｙ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｈａｒｄｗ ａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗ ａｒｅ ａｒｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ． Ｋ ｅｙ ｗ ｏｒｄｓ：Ａ ｂｓｏｌｕｔｅ ｏｐｔｉｃａｌｅｎｃｏｄｅｒ； ＳＳＩｉｎｔｅｒｆａｃｅ； Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｅｖｉｃｅ
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Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＮＯ．５， ２００７
··· ＳＥ ＴＢ Ｐ１．４ Ｎ Ｏ Ｐ ； 第 ２５ 个上升沿开始发送最数据低位 Ｍ Ｏ Ｖ Ｃ ，Ｐ１．５ Ｃ ＰＬ Ｐ１．４ Ｍ Ｏ Ｖ ２Ｃ Ｈ ．０，Ｃ ； 将最低位存入 ２Ｃ Ｈ 单元第 ０ 位 ＮＯＰ ＳＥ ＴＢ Ｐ１．４ ＲＥＴ ３ ．３ 数据处理与按键处理模块 该模块将采集到的格雷码数据进行编码转换， 将转换后得 到的 Ｂ Ｃ Ｄ 码传送至 １２２３２Ｆ 的显示缓存， 以显示当前编码器检 测到的绝对位置值， 并通过按键判断后将数据保存至 ＥＥＰ－ ＲＯＭ 或通过数字量输出单元传送给上位机及其他外部设备。
关键词： 绝对式光电编码器； 同步串行接口； 接口装置
中图分类号： ＴＰ ２１
文献标识码： Ａ
文章编号： １６７２－５４５Ｘ （２００７）０５－００６２－０３
光电编码器又称轴编码器， 它以高精度计量圆光栅为检测 元件， 通过光电转换将输入轴的角位移信息转换为相应数字代 码。因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点， 近年来在数控 机 床 的 精 密 定 位 方 面 使 用 较 多 。绝 对 式 编 码 器 因 在 分 辨 力 区 间 输出与其码盘机械位置相对应惟一的数字编码而得名， 其信号 输 出 形 式 有 并 行 和 串 行 输 出 两 种 ， 其 中 串 行 输 出 以 ＳＳＩ 接 口 （ 同步串行接口） 数据连线少、可靠度高的性能优势而得到较多 应 用 。 笔 者 以 Ａ Ｔ８９Ｃ ５２ 单 片 机 为 核 心 ， 针 对 海 德 汉 公 司 的 Ｒ Ｏ Ｑ ４２５（ＳＳＩ）绝 对 式 光 电 编 码 器 进 行 接 口 装 置 的 设 计 ， 以 实 现 对 传 感 器 数 据 的 采 集 、显 示 及 传 输 。
ＳＪＣ Ｊ：ＳＥ ＴＢ Ｐ１．４ ＳＥ ＴＢ Ｐ１．５ Ｃ ＰＬ Ｐ１．４ ＮＯＰ ； 第一个下降沿开始存储数据 ＮＯＰ ＳＥ ＴＢ Ｐ１．４ ＮＯＰ ； 第一个上升沿开始发送数据最高位 Ｍ Ｏ Ｖ Ｃ ，Ｐ１．５ Ｃ ＰＬ Ｐ１．４ Ｍ Ｏ Ｖ ２ＦＨ ．０，Ｃ ； 将最高位存入 ２ＦＨ 单元第 ０ 位 ＮＯＰ
功能。
收稿日期： ２００７－０３－２６ 作者简介： 蒋利勇（ １９７８—） ， 男， 湖南耒阳人， 华南理工大学机械工程学院硕士研究生， 研究方向： 制造系统的计算机控制； 李伟光（ １９５８—） 男， 江 西永丰， 华南理工大学机械工程学院， 教授， 研究方向： 制造自动化与机电一体化。
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２．２ 数据采集模块 由 于 编 码 器 Ｒ Ｏ Ｑ ４２５ 的 输 出 信 号 是 符 合 Ｒ Ｓ－４８５ 协 议 的
电压监控三种功能集中到单个芯片内， 大大简化了硬件设计， 提高了系统的可靠性。其硬件连接图如图 ５ 所示：
Ｖ ｃｃ
Ｓ Ｒ１ １Ｋ Ω
Ｒ２ １０Ｋ Ω
Ｐ １．３
Ｐ １．２
Ｃ１
Ｐ １．１
２２μＦ ７４ＬＳ ３２ ８９Ｃ ５２
ＲＥＳＥＴ
!１
Ｐ １．０
Ｒ３
１０Ｋ Ω
Ｃ ２ ０．１μＦ
１ ＣＳ
Ｖ ｓｓ ５
２ ＳＯ ＲＥＳＥＴ ６
图 ３ 系统硬件结构框图
２．１ 中央处理器
中央处理器是系统的控制核心部件， 系统选用 Ａ ＴＭ ＥＬ 公
司 的 ８９ 系 列 单 片 机 Ａ Ｔ８９Ｃ ５２， 其 内 部 含 有 ８Ｋ 的 电 可 擦 除 Ｆｌａｓｈ 程序存储器， 可方便地装载或修改系统程序。根据设计要
求， 可实现系统监控、数据采集及转换处理、键盘扫描及显示等
Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＮＯ．５， ２００７
绝对式光电编码器的接口装置设计与应用
蒋利勇， 李伟光 （ 华南理工大学机械工程学院， 广东 广州 ５１０６４０）
摘要： 介绍了一种基于 Ａ Ｔ ８９Ｃ ５２ 单片机的接口装置的硬件及软件设计， 实现对绝对式光电编码器的数据采集、转换、显示及输出。
光敏元件 光栅付 光源
码盘 轴
图 １ 绝对式编码器结构与原理图
Ｄ ａｔａ Ｄ ｎ Ｄ ｎ－１ Ｄ ｎ－２ Ｄ ｎ－３ Ｄ １ Ｄ ２ Ｍ ＳＢ
Ｔａ
Ｓ ＬＳ Ｂ
图 ２ 编码器读数时序图
２ 系统硬件结构
系统的硬件结构框图如图 ３ 所示：
数据采集模块
数字量输出
Байду номын сангаас
按键电路
ＣＰＵ
看门狗与 ＥＥＰＲＯ Ｍ
液晶显示
１ 绝对式光电编码器的工作原理
Ｔ
Ｔｐ
Ｃ ｌｏｃｋ
绝对 式 光 电 编 码 器 的 结 构 如 图 １ 所 示 ， 主 要 由 光 源 、光 栅 付 、光 敏 元 件 、码 盘 、电 子 处 理 电 路 等 部 件 组 成 。 码 盘 一 侧 的 光 源发出的平行光经过光栅付照射到码盘的透明和不透明区段， 在透明区段光线会穿过码盘， 在不透明区段则不会。在码盘另 一侧的光敏元件， 接受到从透明区段透过的光线， 经过光电转 换及电子处理电路的调制后将位置信息以数字信号形式输出。 根据码盘上透明区段刻划规律的不同， 绝对式编码器输出的数 字信号的编码类型也不同， 主要有二进制码与格雷码两种。相 对于二进制码， 格雷码是单位变化码， 即从一个位置到相邻位 置仅有一位变化， 可提高位置检测的可靠性。因此， 大多数绝对 式编码器都采用格雷码方式编码。
电平， 因而需将其转换成可以输入单片机的电平。能完成这种 转换的芯片很多， 大致有两类： 全双工和半双工。由编码器读数 时序图， 我们知道数据的输出在时钟信号下降沿转换， 在时钟 信号上升沿传送， 因此应该选用全双工的转换芯片。我们选用 的 Ｍ ａｘ４９１ 芯片， 是一种用于 Ｒ Ｓ－４８５ 和 Ｒ Ｓ－４２２ 通信的低功率 收发器， 它的芯片中包含一个驱动器和一个接收器， 并且可以 以 ２．５Ｍ ｂｐｓ 速率进行传输。数据采集电路图如图 ４。在该电路 中， 我们用单片机的 Ｐ１．４ 口来模拟产生绝对式编码器读数时 所需的同步时钟信号， 用 Ｐ１．５ 口接收数据， 同时为了减少电路 前后的干扰， 在电路中装上了两个光耦器件进行光电隔离。
４ 结束语
该 接 口 装 置 融 编 码 器 数 据 采 集 、数 据 处 理 及 显 示 功 能 于 一 体 ， 可 作 为 Ｒ Ｏ Ｑ ４２５（ＳＳＩ）绝 对 式 光 电 编 码 器 的 二 次 仪 表 使 用 ， 通过适当的硬件与软件修改后亦可用作解决数控系统中上位 机及其他外部设备与 ＳＳＩ 接口绝对式编码器的接口匹配问题。 参考文献： ［１］ 王立民．单片机应用系统设计与实践 ［Ｍ ］．北 京 ： 北 京 航 空 航 天 大