基于FPGA的光电编码器信号的处理方法
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图 １ 所示 。 ｂ
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一
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正 向位 移 ‘ 反 向位 移
Ｐ ｕ
正 向 位 移
一
反 向位 移
门 电路 、 触发器 的参数 特性 可能不完全一致 的缺点 ， 能保 证在相 同转速下 四细分 脉 冲信号 的周 期 保持 一致 ； 一 另 方面 ， 用 Ｖ Ｄ 采 Ｈ Ｌ语 言在 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ中以 Ｒ Ｌ描述 方式 实现 ， Ｔ
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随着 电子设计技 术 的飞 速 发展 ， 场可 编程 门阵列 现
（Ｐ Ａ 的复 杂程度越 来越高 ， ＦＧ ） 其所 具备 的功 能也越 来越 多 ， 片也 向小型化 发展 ， 芯 逐步 成为复 杂数 字硬件 电路设
《 量 与 测 试技 术 》∞ １年 第 ３＇ 第 １期 计 ２ ０卷
基 于 Ｆ Ｇ 的光 电编 码 器 信 号 的 处 理 方 法 ＰＡ
Ｓｕｙｏ ｉｎ ｌ ｒｃｓｉｇＭｅｈ ｄｆ ，Ｅ ｃ ｒｅ ａｅ ｎＦ Ｇ ｔｄ ｆＳｇ ａ ｏ ｅｓ ｔｏ Ｐ ｎ ｏ ｎ ｏｄ ｒＢ ｓｄｏ Ｐ Ａ 孙 敬 先 李 长 星 郑 敏
用于 空间位 置测量 、 位移测 量 、 线 角位 移测 量 、 自动控制 、 速度测量等领域 。在实 际应用 中， 了提 高光电编码器 的 为
光 电编码 器应用 于 角度 的定 位 或 测量 时 ， 随控 制 对
象发生角位移 变 化 时通 常 有 Ａ、 、 Ｂ ｚ三 相信 号 输 出。编 分辨率， 获取电机的实际转动方向（ 或工作台移动方向）提 码器 恒 速 旋 转 时 ， ， Ａ相 和 Ｂ相 输 出 占空 比为 ５ ％ 的方 ０ 高抗干扰能力 ， 常对其脉冲进行 四细分及辨向处理 。 波 。编码器每 旋转一周 ， Ｚ相输 出一个 脉 冲 ， Ａ相 和 Ｂ相 １ 在 ＦＧ Ｐ Ａ中实现 细分与 辨向 电路 的优 越性 输 出固定数 目的脉 冲 （ １１ 个 脉 冲） 如 ００ ３ 。编 码 器 的 Ａ相 以往 对光 电编码器 数据信 号进行 四倍频 以及辨 向处 或 Ｂ相每 输 出一个 脉 冲 ， 表示 编码器 旋转 了一 个 固定 的 理时 ， 多采用 由 Ｒ Ｃ电路 及 门级 电路搭 建 的电路 板 ， 电 角度 。当 ｚ相输 出一 个脉 冲时 ， 该 表示 编码器旋 转 了一 周 。 路 体积大 且稳定 性 、 可靠性 差 、 调试烦 琐 ， 而且 当 电阻 Ｒ、 Ａ 电容 Ｃ等组 件参 数变 化 时 ， 会导 致脉 宽发生 变化 或不 能 ］ 厂——— ］ 产生具 有 稳定 宽 度 的脉 冲。此 外 ， Ｃ电路 抗 干 扰 能 力 Ｒ Ｂ ｌ ｌ ｌ Ｂ Ｌ ｌ Ｉ ｌ 差， 反馈部分 易受外 界 的干扰 ， 在实 际应用 中会 出现丢 失 ａ ｂ 脉 冲现象 ， 以至影 响控制 系统 的精度 和可靠性 。 ａ ． 号 相 位超 前 Ｂ信号 ９ 。ｂＡ信 号相 位 落 的 Ｂ信 号 ９ 。 Ａ信 ０ ；． ０
图 １ 两 路 相 差 ９ ￣ 方波 ０的
光 电编码 器 Ａ相和 Ｂ相 的输 出波形 如 图 １ 示 ， 所 为
两路相位差 为 ９。 ０的方波 。设一 参考方 向 ， 相对位移 假设 方向与参考方 向一致 时 ， Ａ信 号超 前 Ｂ信 号 ９。代 表光 ０， 电编 码 器正转 ， 图 ｌ 所 示 ； 对 位移 方 向与参 考 方 向 如 ａ 相 相 反时 ， Ａ信号 落后 Ｂ信 号 ０， 表光 电编码器 反转 ， 代 如
灵活性 、 通用性和 可靠性 。 ２ 光 电编码 器信号特点
光 电编码器 是一种集 光 、 、 机 电为一体 的数字检测 装 置 ， 用光 电转换原 理将转 子的轴 角信 息转换 为电信息 ， 利
并 以数字代码 输 出 ， 有输 出信号强 、 具 反差高 ， 积小 、 体 重 量轻 ， 成本低 ， 可与 电子 计算 机 的灵 活 配接 等优 点 ； 主要
及 位 置 伺服 控 制 具 有 一定 的现 实 意 义 。
关 键 词 ： 电编 码 器 ； 光 细分 与 辨 向 ；Ｐ Ａ； Ｈ Ｌ ＦＧ Ｖ Ｄ
０ 引 言
设计者 只需 了解 电路 的外 部 特性 和功 能 就 可 以 正确 描 述， 而不需 了解 电路结构 ， 得其抗 干扰能 力 比分 离器件 使 有 了很大 提高 。此外 ， 由于其 现场可 编程 ， 强 了系统 的 增
（ 安 石 油 大学 电子 工程 学 院 ， 西 西 安 ，１０５ 西 陕 ７０６ ）
摘
要： 细分与辨向是光电编码器这类长度、 位置 、 位移检测仪器中对原始信 号处理 的一个必需环节 。本文针对光电编码器信号 的特点 ， 绍了一种 介
在 ＦＧ Ｐ Ａ中基于 Ｖ Ｄ 语言 的、 ＨＬ 采用 Ｒ Ｌ Ｔ 描述方式的细分与辨向电路的设计与实现， 它对提高光电编码器分辨率与实现高精度、 高稳定性的信号检测
计 的理想 选择 。Ｆ Ｇ Ｐ Ａ既继 承 了 Ａ Ｉ ＳＣ的大 规模 、 高集 成 度、 高可靠性 的优点 ， 又克服 了普通 Ａ Ｉ 计周期 长 、 ＳＣ设 投 资大 、 活性差 的缺点 。 目前 Ｆ Ｇ 灵 Ｐ Ａ的集成 度很 高 ， 完 可 成 极其 复杂 的时序和组合 逻辑 电路 功能 ， 用于高速 度 、 适 高 密度 的高端数字 逻辑 电路设计领 域 。 Ｖ Ｄ 作 为 ＩＥ Hale Waihona Puke Baidu Ｌ Ｅ Ｅ所 规范 的硬件 描述语 言 ， 以描 述 可 电路功能 、 信号连 接关系及 定时关 系 ， 比电路 原理 图能 它 更有效 地表 达 硬 件 电路 的 特征 ， 有 设 计 安全 、 法灵 具 方 活 、 持广 泛 、 言 标 准 规范 、 于共 享 和 复 用 等优 点 。 支 语 易 运用 Ｖ Ｄ 语 言在 Ｆ Ｇ Ｈ Ｌ Ｐ Ａ中实现 对光 电编 码器 信号 的 四 细分 与辨 向的处理具 有一定 的优越性 ： 一方面 ， 克服 了的
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《 量 与 测 试技 术 》∞ １年 第 ３＇ 第 １期 计 ２ ０卷
基 于 Ｆ Ｇ 的光 电编 码 器 信 号 的 处 理 方 法 ＰＡ
Ｓｕｙｏ ｉｎ ｌ ｒｃｓｉｇＭｅｈ ｄｆ ，Ｅ ｃ ｒｅ ａｅ ｎＦ Ｇ ｔｄ ｆＳｇ ａ ｏ ｅｓ ｔｏ Ｐ ｎ ｏ ｎ ｏｄ ｒＢ ｓｄｏ Ｐ Ａ 孙 敬 先 李 长 星 郑 敏
用于 空间位 置测量 、 位移测 量 、 线 角位 移测 量 、 自动控制 、 速度测量等领域 。在实 际应用 中， 了提 高光电编码器 的 为
光 电编码 器应用 于 角度 的定 位 或 测量 时 ， 随控 制 对
象发生角位移 变 化 时通 常 有 Ａ、 、 Ｂ ｚ三 相信 号 输 出。编 分辨率， 获取电机的实际转动方向（ 或工作台移动方向）提 码器 恒 速 旋 转 时 ， ， Ａ相 和 Ｂ相 输 出 占空 比为 ５ ％ 的方 ０ 高抗干扰能力 ， 常对其脉冲进行 四细分及辨向处理 。 波 。编码器每 旋转一周 ， Ｚ相输 出一个 脉 冲 ， Ａ相 和 Ｂ相 １ 在 ＦＧ Ｐ Ａ中实现 细分与 辨向 电路 的优 越性 输 出固定数 目的脉 冲 （ １１ 个 脉 冲） 如 ００ ３ 。编 码 器 的 Ａ相 以往 对光 电编码器 数据信 号进行 四倍频 以及辨 向处 或 Ｂ相每 输 出一个 脉 冲 ， 表示 编码器 旋转 了一 个 固定 的 理时 ， 多采用 由 Ｒ Ｃ电路 及 门级 电路搭 建 的电路 板 ， 电 角度 。当 ｚ相输 出一 个脉 冲时 ， 该 表示 编码器旋 转 了一 周 。 路 体积大 且稳定 性 、 可靠性 差 、 调试烦 琐 ， 而且 当 电阻 Ｒ、 Ａ 电容 Ｃ等组 件参 数变 化 时 ， 会导 致脉 宽发生 变化 或不 能 ］ 厂——— ］ 产生具 有 稳定 宽 度 的脉 冲。此 外 ， Ｃ电路 抗 干 扰 能 力 Ｒ Ｂ ｌ ｌ ｌ Ｂ Ｌ ｌ Ｉ ｌ 差， 反馈部分 易受外 界 的干扰 ， 在实 际应用 中会 出现丢 失 ａ ｂ 脉 冲现象 ， 以至影 响控制 系统 的精度 和可靠性 。 ａ ． 号 相 位超 前 Ｂ信号 ９ 。ｂＡ信 号相 位 落 的 Ｂ信 号 ９ 。 Ａ信 ０ ；． ０
图 １ 两 路 相 差 ９ ￣ 方波 ０的
光 电编码 器 Ａ相和 Ｂ相 的输 出波形 如 图 １ 示 ， 所 为
两路相位差 为 ９。 ０的方波 。设一 参考方 向 ， 相对位移 假设 方向与参考方 向一致 时 ， Ａ信 号超 前 Ｂ信 号 ９。代 表光 ０， 电编 码 器正转 ， 图 ｌ 所 示 ； 对 位移 方 向与参 考 方 向 如 ａ 相 相 反时 ， Ａ信号 落后 Ｂ信 号 ０， 表光 电编码器 反转 ， 代 如
灵活性 、 通用性和 可靠性 。 ２ 光 电编码 器信号特点
光 电编码器 是一种集 光 、 、 机 电为一体 的数字检测 装 置 ， 用光 电转换原 理将转 子的轴 角信 息转换 为电信息 ， 利
并 以数字代码 输 出 ， 有输 出信号强 、 具 反差高 ， 积小 、 体 重 量轻 ， 成本低 ， 可与 电子 计算 机 的灵 活 配接 等优 点 ； 主要
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关 键 词 ： 电编 码 器 ； 光 细分 与 辨 向 ；Ｐ Ａ； Ｈ Ｌ ＦＧ Ｖ Ｄ
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设计者 只需 了解 电路 的外 部 特性 和功 能 就 可 以 正确 描 述， 而不需 了解 电路结构 ， 得其抗 干扰能 力 比分 离器件 使 有 了很大 提高 。此外 ， 由于其 现场可 编程 ， 强 了系统 的 增
（ 安 石 油 大学 电子 工程 学 院 ， 西 西 安 ，１０５ 西 陕 ７０６ ）
摘
要： 细分与辨向是光电编码器这类长度、 位置 、 位移检测仪器中对原始信 号处理 的一个必需环节 。本文针对光电编码器信号 的特点 ， 绍了一种 介
在 ＦＧ Ｐ Ａ中基于 Ｖ Ｄ 语言 的、 ＨＬ 采用 Ｒ Ｌ Ｔ 描述方式的细分与辨向电路的设计与实现， 它对提高光电编码器分辨率与实现高精度、 高稳定性的信号检测
计 的理想 选择 。Ｆ Ｇ Ｐ Ａ既继 承 了 Ａ Ｉ ＳＣ的大 规模 、 高集 成 度、 高可靠性 的优点 ， 又克服 了普通 Ａ Ｉ 计周期 长 、 ＳＣ设 投 资大 、 活性差 的缺点 。 目前 Ｆ Ｇ 灵 Ｐ Ａ的集成 度很 高 ， 完 可 成 极其 复杂 的时序和组合 逻辑 电路 功能 ， 用于高速 度 、 适 高 密度 的高端数字 逻辑 电路设计领 域 。 Ｖ Ｄ 作 为 ＩＥ Hale Waihona Puke Baidu Ｌ Ｅ Ｅ所 规范 的硬件 描述语 言 ， 以描 述 可 电路功能 、 信号连 接关系及 定时关 系 ， 比电路 原理 图能 它 更有效 地表 达 硬 件 电路 的 特征 ， 有 设 计 安全 、 法灵 具 方 活 、 持广 泛 、 言 标 准 规范 、 于共 享 和 复 用 等优 点 。 支 语 易 运用 Ｖ Ｄ 语 言在 Ｆ Ｇ Ｈ Ｌ Ｐ Ａ中实现 对光 电编 码器 信号 的 四 细分 与辨 向的处理具 有一定 的优越性 ： 一方面 ， 克服 了的