摘  要： 用VHDL語言設(shè)計的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路，實現(xiàn)了四倍頻,、雙向計數(shù)的功能以及與單片機的接口,。給出了在MAX Plus II環(huán)境下的VHDL源代碼和時序仿真結(jié)果。本設(shè)計在角度測量,、位移測量和高度測量等方面有廣泛的應(yīng)用價值,。
關(guān)鍵詞： 旋轉(zhuǎn)編碼器；四倍頻,；VHDL,；Max Plus II

　旋轉(zhuǎn)編碼器是一種高精度的角位置測量傳感器，具有分辨率高,、響應(yīng)速度快等特點,，被廣泛應(yīng)用在以位置或角度為對象的控制系統(tǒng)中。將編碼器安裝在電機軸的非負(fù)載端跟隨轉(zhuǎn)動,，其反饋信號傳遞給控制器,，構(gòu)成對電機的閉環(huán)控制[1]。
　增量式旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出兩路正交脈沖,，即兩路(A,、B)相位差90°的方波，其相位關(guān)系標(biāo)志電機的轉(zhuǎn)向,，當(dāng)A相超前B相90°時,，標(biāo)志電機正轉(zhuǎn)，如圖1所示,；當(dāng)B相超前A相90°時,，標(biāo)志電機反轉(zhuǎn)，如圖2所示,。編碼器旋轉(zhuǎn)一圈,，輸出脈沖數(shù)固定，通過累加A,、B兩相信號的脈沖數(shù)可以計算電機轉(zhuǎn)過的角度,。

　本文用VHDL語言設(shè)計了一種增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的接口電路，可以配置在CPLD或者FPGA上,，實現(xiàn)對編碼器輸出信號的四倍頻,、雙向可逆計數(shù)和與單片機接口的功能。下面介紹各個電路的設(shè)計原理和實現(xiàn)源碼。
1 四倍頻電路設(shè)計原理
　對于每個確定的編碼器,，其脈沖周期T對應(yīng)的角位移固定為q,，其量化誤差為q/2。若將A和B信號四倍頻,，則計數(shù)脈沖的周期將減小到T/4,，量化誤差減小為q/8，從而使角位移測量精度提高4倍[2],。
　如圖1和圖2所示,，在任意一個周期T內(nèi)，A,、B兩路信號各變化了兩次,，分別產(chǎn)生一次上升沿和一次下降沿，若用Y對A,、B兩路信號的跳變沿計數(shù),，則在一個脈沖周期內(nèi)，信號Y就會出現(xiàn)4次變化,，實現(xiàn)編碼器信號的四倍頻,。
2 轉(zhuǎn)向鑒別電路設(shè)計原理
　在信號跳變沿時檢測另一相信號的電平值可以判斷轉(zhuǎn)向[3]。例如,，在A相信號上升沿時檢測B相信號電平，若B為低電平(如圖1),，表示電機正轉(zhuǎn),；若B為高電平(如圖2)，表示電機反轉(zhuǎn),。結(jié)合上面所述四倍頻原理,，計數(shù)規(guī)則總結(jié)如下。
　(1)檢測到以下狀態(tài)表示電機正轉(zhuǎn),，加計數(shù)：
?、貯相上升沿，B=0,；②A相下降沿,，B=1；③B相上升沿,，A=1,；④B相下降沿，A=0,。
　(2)檢測到以下狀態(tài)表示電機反轉(zhuǎn),，減計數(shù)：
　①B相上升沿，A=0,；②B相下降沿,，A=1；③A相上升沿,，B=1,；④A相下降沿，B=0,。
3 與單片機接口設(shè)計原理
    編碼器的脈沖計數(shù)值一般要傳送給單片機或其他控制器進行處理,，而CPLD的全局時鐘的頻率高于單片機的時鐘頻率，為保證CPLD和單片機之間計數(shù)值傳輸?shù)恼_性,，單片機首先發(fā)送信號給CPLD,，將計數(shù)值鎖存后再進行傳輸。CPLD與單片機接口示意圖如圖3所示,。本設(shè)計中CPLD檢測到單片機鎖存信號的上升沿后將當(dāng)前計數(shù)值鎖存[4],，然后在單片機位選信號的上升沿和下降沿分時將16 bit計數(shù)值的高8位和低8位傳送給單片機8 bit I/O端口。

4 實現(xiàn)電路的源代碼
    本設(shè)計利用D觸發(fā)器的延時作用檢測信號跳變沿,，D輸入端接脈沖信號,，則Q輸出端是上一個CLK周期的脈沖信號狀態(tài)。在CLK的上升沿檢測Q端輸出和D端信號電平值是否一致,，不一致表示出現(xiàn)跳變沿,。
設(shè)A和B是A、B相的源信號,，經(jīng)過D觸發(fā)器后A,、B相信號記為A1、B1,，則計數(shù)規(guī)則表示為：


5 仿真結(jié)果
　利用ALTERA的開發(fā)工具MAX+PlusⅡ,，輸入VHDL文本文件，目標(biāo)設(shè)備為EPM7128SLC84[5],，CLK周期為200 ns,，A、B的周期為2 000 ns,，編譯后仿真波形如圖4~圖7所示,。

　圖4是編碼器正轉(zhuǎn)時的仿真波形，在A相信號的1個周期,，兩條標(biāo)記線內(nèi),，計數(shù)值OUTPUT由初始值4增加到8，實現(xiàn)四倍頻加計數(shù),。
　圖5是編碼器反轉(zhuǎn)時的仿真波形,，在A相信號的1個周期內(nèi),，計數(shù)值OUTPUT由初始值15減少到11，實現(xiàn)四倍頻減計數(shù),。
　圖6是編碼器由正轉(zhuǎn)切換為反轉(zhuǎn)時的仿真波形,。如圖中標(biāo)記線所示，B相超前A相后的第一個CLK的上升沿,，計數(shù)方向立即改變,，由加計數(shù)變?yōu)闇p計數(shù)。
　如圖7中標(biāo)記線所示,，在鎖存信號lock上升沿時16 bit計數(shù)值鎖存于OUT_lock,；位選信號choose上升沿后的第一個CLK上升沿，8 bit計數(shù)值OUTPUT8輸出OUT_lock的高8位,；choose下降沿時OUTPUT8輸出OUT_lock的低8位,。
　由上述仿真波形可以看出，本電路的設(shè)計實現(xiàn)了編碼器的轉(zhuǎn)向鑒別,、四倍頻,、雙向計數(shù)以及與單片機通信的功能。
    本文設(shè)計的編碼器接口電路,，結(jié)構(gòu)簡單,、可靠性高，即使在正反轉(zhuǎn)頻繁切換的場合也能高精度地工作,。本接口電路已應(yīng)用在單級旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)中,，且運行良好。
參考文獻
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[2] 史曉娟，李海芹.基于CPLD的四倍頻鑒相計數(shù)電路在運動控制器中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機床,，2008(6)：85-87.
[3] 馬志建,，戴炬，張峰,，等.基于CPLD的編碼器倍頻鑒相計數(shù)電路設(shè)計[J].儀器儀表用戶,，2009，16(4)：82-84.
[4] 黃任.AVR單片機與CPLD/FPGA綜合應(yīng)用入門[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2004.
[5] 王志鵬,，付麗琴.可編程邏輯器件開發(fā)技術(shù)MAX+plusⅡ[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.