在實(shí)際的工業(yè)位置控制領(lǐng)域中，為了提高控制精度,，準(zhǔn)確地對控制對象進(jìn)行檢測是十分重要的,。傳統(tǒng)的機(jī)械測量位移裝置已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要,，而數(shù)字式傳感器光電編碼" title="光電編碼">光電編碼器,能將角位移量轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電脈沖輸出, 主要用于機(jī)械位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測，具有精度高,，體積小等特點(diǎn),，因此決定采用光電編碼器進(jìn)行位移檢測。

美國TI公司推出的MSP430系列16位單片機(jī),，具有低功耗，運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn),，正日益得到廣泛的應(yīng)用,。本文將高精度MSP430單片機(jī)應(yīng)用在系統(tǒng)中，作為整個系統(tǒng)的控制器,，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,，抗干擾性強(qiáng),滿足了鋼鐵廠的生產(chǎn)要求。

1,、光電編碼器原理

光電編碼器是集光,、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器,，其基本原理就是在特制的碼盤上按一定規(guī)律編排光柵圖案,，將這些圖案用光電頭讀取，轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩陀行蚺帕械碾娖叫盘?。光電編碼器輸出信號為A , B , Z 3 個信號,其中A , B 為相位差90°的方波信號, Z 為過零脈沖信號,。如圖1所示，光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一周,A,、B 相輸出同樣數(shù)量的脈沖, Z相輸出一個脈沖,，脈沖的個數(shù)和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，電機(jī)的運(yùn)行距離成正比關(guān)系,，因此通過計(jì)算脈沖數(shù)就能計(jì)算出電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中所運(yùn)行的距離,。



A相、B相都是光電編碼器產(chǎn)生的,，這兩個信號的前沿和后沿都對應(yīng)著光電碼盤的1/4節(jié)距的信息,。因此在實(shí)際中為了提高光電編碼器的定位精度通常采用四倍頻方法進(jìn)行處理。鑒相就是通過分析圖1的A相,，B相信號,，得出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。如果A相脈沖超前B相90,，說明電機(jī)正轉(zhuǎn),，如果B相脈沖超前A相脈沖90，說明電機(jī)反轉(zhuǎn),。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種四倍頻電路,，其原理圖如圖2所示,，相應(yīng)的時序圖如圖3所示。由時序圖3可以看出,，A和B信號經(jīng)四倍頻電路后,，輸出信號為XA，XB兩個信號,，在同一時刻,，XA，XB只有一個是脈沖信號,，另一個是高電平,。因此，將XA,，XB兩個信號連接到單片機(jī)相應(yīng)的端口上,，對這兩個信號分別進(jìn)行判斷、計(jì)數(shù)和計(jì)算,，就可以得出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)向和位移量,。



2、系統(tǒng)功能

系統(tǒng)框圖見圖4,。整個系統(tǒng)主要由差動隔離整形,，倍頻電路，鑒相計(jì)數(shù)模塊,，主控芯片,，通訊模塊，數(shù)顯模塊組成,。光電編碼器選用SIEMENS公司的1XP8001-1型號,，輸出電壓為5V。從光電碼盤輸出的A,，B,，A－,B－經(jīng)過差動隔離整形模塊后能減少現(xiàn)場對信號產(chǎn)生的干擾，尤其是共模干擾,，處理后的信號經(jīng)四倍頻電路后連到主控芯片,，對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，處理,，計(jì)算,，得到被控對象的位移結(jié)果。位移結(jié)果一方面送數(shù)顯表顯示,，另一方面可通過串口將位移結(jié)果送到上位機(jī),，便于在上位機(jī)中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，打印，綜合分析,。



3,、系統(tǒng)硬件組成

3.1 、主控芯片及外圍電路

主控芯片我們采用MSP430F149" title="MSP430F149">MSP430F149單片機(jī),，它具有處理能力強(qiáng),，運(yùn)行速度快，功耗低等特點(diǎn),； 整個系統(tǒng)采用3.3V供電,，本設(shè)計(jì)電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片能很好的滿足系統(tǒng)的要求,，另外TPS76033芯片的封裝很小,，又能節(jié)約PCB板面積。

復(fù)位電路采用MAX809STR芯片,，復(fù)位電路可以采用R-C復(fù)位電路，但是使用復(fù)位芯要比使用R-C復(fù)位電路的可靠性高,，因此我們就采用MAX809STR芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位,。
    
數(shù)顯電路采用LED顯示方式，MSP430具有豐富的I/O口資源,，采用并行方式與LED連接非常方便,，這種方式既能滿足現(xiàn)場的要求，又可以降低系統(tǒng)成本,。在單片機(jī)與數(shù)碼顯示連接時選擇P4.0～P4.7引腳用來輸出顯示數(shù)據(jù),，P2.1,P2.2,P2.3，P2.4引腳用來控制數(shù)碼管的選通狀態(tài),。

3.2 ,、16位計(jì)數(shù)器

本次設(shè)計(jì)采用MSP430F149提供的計(jì)數(shù)器對倍頻后的XA,XB信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。MSP430F149提供了兩個16位的計(jì)數(shù)器,，分別是Timer_A,Timer_B,，這是兩個用途非常廣泛的16位計(jì)數(shù)器，在設(shè)計(jì)中使用Timer_A計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),，將XA和XB兩個信號相或后與Timer_A相連,，即XA和XB相或后與P1.0引腳相連。無論電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),，計(jì)數(shù)器引腳上都有脈沖信號,，都可進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn),，使用計(jì)數(shù)器的捕獲模塊對XA和XB信號進(jìn)行方向判斷,，Timer_A計(jì)數(shù)器中提供有3個捕獲模塊，均可以滿足系統(tǒng)的需要。編碼器四倍頻電路輸出的XA信號與捕獲模塊1相連,，XB與捕獲模塊2相連,，即XA信號同時與P1.2引腳相連，XB信號同時與P1.3引腳相連,。捕獲模塊捕獲XA和XB信號的上升沿,，通過程序的判斷就可以判斷出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

3.3,、 串行模塊

MSP430單片機(jī)使用RS-485協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊,， RS-485改進(jìn)了RS-232的缺點(diǎn)，傳輸速率可達(dá)到10MB/S,傳輸距離達(dá)1200米,。由于MSP430輸出的是TTL電平,，而RS-485串口卡是485電平，因此需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,。本系統(tǒng)采用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平與485電平之間的轉(zhuǎn)換,。硬件連接使用USART0串口，即連接時使用P3.4,P3.5引腳與MAX485的相應(yīng)引腳相連,。

4,、系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率,。整個系統(tǒng)程序包括主程序,，鑒相計(jì)數(shù)程序，顯示子程序,，串行通訊程序幾個模塊組成,。程序流程圖見圖５。

主程序主要包括系統(tǒng)的初始化：對串口,，計(jì)數(shù)器等硬件的初始化：計(jì)數(shù)值的讀取,、處理、計(jì)算：調(diào)用顯示子程序,，用于數(shù)據(jù)的顯示,。



鑒相計(jì)數(shù)程序主要用于電機(jī)方向的判斷和計(jì)數(shù)脈沖值的處理。系統(tǒng)中電機(jī)方向的判斷是靠計(jì)數(shù)器中的捕獲模塊捕獲XA,XB信號來實(shí)現(xiàn)的,。在程序中,，設(shè)計(jì)一個寄存器保存電機(jī)的方向，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時,，捕獲模塊捕獲XA信號有效,，在中斷服務(wù)程序中將電機(jī)方向設(shè)為正轉(zhuǎn)標(biāo)志。反之亦然,，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時,，捕獲XB有效，將電機(jī)方向設(shè)為反轉(zhuǎn)標(biāo)志。在主程序中只需根據(jù)寄存器的值,，就可知道電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,。為了防止計(jì)數(shù)器中正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)值發(fā)生混亂,，每次捕獲發(fā)生時,，在中斷服務(wù)程序中都將計(jì)數(shù)器清零，重新計(jì)數(shù),，保證了電機(jī)換向后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,。

串行通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。單片機(jī)可根據(jù)上位機(jī)的需要,，將處理后的計(jì)數(shù)值上傳給上位機(jī),，用于統(tǒng)計(jì)，打印等,。系統(tǒng)采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,，在接受中斷服務(wù)程序中得到接受的上位機(jī)指令后，單片機(jī)就可將計(jì)數(shù)脈沖值,，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等數(shù)據(jù)通過發(fā)送端口向上位機(jī)發(fā)送,。串行通訊采用中斷方式可大大節(jié)省CPU資源，從而保證了系統(tǒng)的高速度,，高可靠性。

5,、本文創(chuàng)新點(diǎn)

本文充分利用MSP430單片機(jī)軟硬件的優(yōu)點(diǎn),，簡化了外圍模塊的設(shè)計(jì)，大大提升了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際自動控制領(lǐng)域的運(yùn)行中,，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，收到了良好的效果,，具有很好的實(shí)用價值,。