摘? 要： 介紹一種應用M/T法測速原理,采用單片機P89C51RC+IA 和EMP7064S實現轉速測量" title="轉速測量">轉速測量的硬件電路實現方法，并給出了碼盤脈沖預處理電路的可編程" title="可編程">可編程器件(EMP7064S)的實現。
關鍵詞: 碼盤? 轉速測量? 測量時間? 編碼脈沖
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轉速測量是伺服控制系統的重要組成部分。迄今為止,測速可分為兩大類:模擬電路測速和數字電路測速。微電子技術的發展,數字測速技術的進步,數字測速性能的提高,使數字測速受到人們的重視。
隨著微電子技術的發展、計算機技術的成熟,出現了以計算機為核心的數字測速裝置。這樣的速度測量裝置測量范圍寬、工作方式靈活多變、適應面廣,具有普通數字測速裝置不可比擬的優越性。本文應用M/T法測速原理,借助PHILIPS P89C51RC+IA和ALTERA EMP7064S實現轉速測量。
1 M/T測量法工作原理
數字測速中用到的關鍵部件是光電編碼器,俗稱碼盤。碼盤是一角度傳感器,將角度信息轉變成一列脈沖串" title="脈沖串">脈沖串。刻線數m、刻線誤差ε、輸出信號的電特性是碼盤的主要技術指標。碼盤輸出兩路相差90°的矩形脈沖串,每轉動一周輸出m個脈沖。通過測量脈沖串的頻率即可測量轉速。
本文采用M/T法測速。此法需要一個碼盤脈沖計數器、一個標準時間計數器、一個定時器。定時器設定測量時間Ts。在測量時間Ts內,同時對碼盤脈沖和標準時間信號計數。測量時間到,產生定時中斷,單片機執行中斷程序,讀出碼盤脈沖計數器和標準時間計數器的值,由計數值求出轉速。
設碼盤刻線數為m,碼盤脈沖倍頻數為n,標準時間為TC(s),碼盤脈沖計數值為Cm,標準時間計數值為Ct,則轉速ω=360Cm/mnTCCt(°/s)。
2 碼盤脈沖預處理的EMP7064S實現
采用碼盤的數字測速系統中,對碼盤信號的處理包括倍頻、輸出控制和方向信號的提取。
2.1 碼盤脈沖倍頻電路
對碼盤輸出脈沖倍頻,相當于增多碼盤刻線數,可提高測量準確度,改善測量的動態性能。碼盤脈沖計數值的大小影響刻線誤差的大小。對同一個碼盤,輸出信號經碼盤脈沖倍頻電路處理后,頻率提高,相同測量時間內對碼盤脈沖的計數值大,測量結果中刻線造成的誤差小。同時,如果測量時間下限一定,可測的轉速下限就低。對碼盤脈沖處理最高可得4倍頻的脈沖信號。處理電路及時序關系如圖1所示。
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2.2 捕獲脈沖輸出控制電路
為保證測量的連續性,碼盤脈沖計數器和標準時間計數器要不間斷地計數,測量過程中不斷讀出這兩計數器的計數值。為防止計數過程中計數器值不穩,出現誤讀,需采用有捕獲功能的計數器。在要求時刻,通過捕獲信號,將計數值捕獲到寄存器中,然后讀捕獲寄存器,這樣讀出的值穩定可靠。為確保讀出的碼盤脈沖計數值和標準時間計數值是同一時刻,捕獲信號應相同,這個信號就是碼盤脈沖信號。這樣,只是保證讀出的兩個計數值是同一時刻的基本條件。如果讀出數據的過程中發生新的捕獲,也將導致讀出的數據不是同一時刻,引起測量誤差。因此,讀完數據后,應通過捕獲標志判斷是否發生新的捕獲。如發生新的捕獲則重新讀數,直到無新的捕獲發生為止。這種方法,如不對捕獲信號的輸出加以限制,當碼盤輸出脈沖的頻率很高時,相鄰的捕獲時間" title="捕獲時間">捕獲時間短。當短到一定程度,捕獲時間小于程序的讀數及判斷時間時,將不能讀出計數值,因而限制了測速的上限。對捕獲脈沖輸出加以控制,即為提高測速上限。功能電路及時序如圖2所示。其中,C是捕獲信號,Ctl是輸出控制信號,用于控制碼盤脈沖Fm的輸出。
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2.3 方向信號提取電路
當測轉速時,不僅要給出速度的大小,還要給出速度的方向。由采用的測量原理可知,測量過程中不能得出方向的信息,轉動方向只能通過碼盤輸出脈沖得到。設順時針轉時,A超前B 90°;反之,B超前A 90°。根據這一關系可得出方向信號。實現此功能的電路及時序如圖3所示。D為不同電平分別代表不同的轉動方向。
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3 測量系統" title="測量系統">測量系統的構成
測量過程中用到一個定時器,一個帶捕獲功能的碼盤脈沖計數器和一個帶捕獲功能的標準時間計數器。P89C51RC+IA有三個定時器TIME0~2和一個PCA可編程計數陣列。其中定時器2和PCA陣列具有計數捕獲功能。根據采用的測量方法構成如圖4所示的測量框圖。由圖4可知,定時器2用于碼盤脈沖計數,PCA陣列用作標準時間信號計數,定時器1用于定測量時間,這樣就構成基本的測量系統。在測量時間Ts內同時對碼盤脈沖Fm(倍頻后的信號)和標準時間信號計數。定時器1每隔時間Ts就產生一次中斷。定時器2和PCA計數陣列都為下降沿捕獲。捕獲寄存器在a、b時刻的值分別是計數器在ti、ti+1時刻的計數值。設定時器2和PCA陣列捕獲寄存器在a、b時刻的值分別為Cti、Cti+1和Cmi、Cmi+1。則轉速為
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4 軟件設計
系統要正常工作,需有軟件的配合。系統軟件除了完成系統的硬件初始化外,還要完成對硬件電路的實時控制,對數據進行輸入輸出操作和數值的分析,并根據數據分析的結果作相應的處理。由于本系統被設計成PC ISA卡的個人儀器形式,簡化了測量系統的結構,并能充分利用PC機的運算資源,大大提高測速上限。簡要測試程序框圖如圖5所示。
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本文介紹了以M/T法為基礎,由PHILIPS P89C51RC+IA和ALTERA EMP7064S實現轉速測量的數字測量法。由于P89C51RC+IA單片機定時器2、PCA可編程計數器捕獲功能的特殊結構及EMP7064S的可編程功能,大大簡化了電路設計,提高了系統的可靠性。此儀器被做成PC ISA卡的個人儀器,既可利用PC機的資源,又可簡化測量系統。此設計已成功應用于模擬仿真試驗轉臺的速率測量中。
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參考文獻
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