前　言

由于機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，精密旋轉(zhuǎn)位置傳感器之一的光電編碼器被大量使用，如在數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等方面的應(yīng)用。在國(guó)外，用于光電編碼器的可編程專用計(jì)數(shù)ＩＣ芯片（如ＰＣＣ110，ＰＣＣ120，ＰＣＣ130等）很容易買到，而在國(guó)內(nèi)卻成為偏冷芯片很難買到。國(guó)內(nèi)目前大量使用軟件方式對(duì)光電編碼器的脈沖進(jìn)行方向判別和計(jì)數(shù)，這種方式降低了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性，尤其當(dāng)使用光電編碼器的數(shù)量較多時(shí);另一方面其可靠性也不及硬件電路。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，Ｉ/Ｏ數(shù)據(jù)采集板是一種常用接口板，本文針對(duì)其設(shè)計(jì)了一種16位可編程的光電編碼器用計(jì)數(shù)電路（以下稱可編程計(jì)數(shù)電路），它能輸出光電編碼器的位置的16位數(shù)字量、頻率與旋轉(zhuǎn)速度對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)和旋轉(zhuǎn)方向指示電平，具有計(jì)數(shù)器預(yù)置、位置量輸出的功能。

1、可編程計(jì)數(shù)電路的構(gòu)成

可編程計(jì)數(shù)電路主要由方向判別電路、雙脈沖加減計(jì)數(shù)電路、數(shù)字比較電路、譯碼控制電路、輸入鎖存電路、輸出緩沖電路等構(gòu)成（圖1）。

圖1　可編程計(jì)數(shù)電路構(gòu)成圖

光電編碼器輸出的Ａ、Ｂ脈沖進(jìn)入方向判別器后，其正反向輸出脈沖進(jìn)入雙時(shí)鐘加減計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)值可通過緩沖器被讀出，同時(shí)計(jì)數(shù)值與預(yù)置值實(shí)時(shí)比較指示是否到達(dá)預(yù)定位置。方向判別器輸出的雙向脈沖頻率與光電編碼器轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)，經(jīng)Ｆ/Ｖ轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速模擬電壓量。

圖中Ａ為光電編碼器的Ａ相輸出;Ｂ為光電編碼器的Ｂ相輸出;ＶＦ為光電編碼器轉(zhuǎn)速的模擬電壓量;ＰＦ為光電編碼器旋轉(zhuǎn)方向指示電平;ＤＣ為光電編碼器計(jì)數(shù)電路的控制總線;ＤＩ為光電編碼器計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸入總線;ＤＯ為光電編碼器計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出總線;Ｅ1（Ｐ》Ｐ0）為光電編碼器當(dāng)前位置超越預(yù)定位置指示電平（高電平有效）;Ｅ0（Ｐ=Ｐ0）為光電編碼器當(dāng)前位置等于預(yù)定位置指示電平（高電平有效）;Ｅ2（Ｐ《Ｐ0）為光電編碼器當(dāng)前位置未及預(yù)定位置指示電平（高電平有效）。

2、可編程計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)

2.1、方向判別電路

在光電編碼器的使用中，其旋轉(zhuǎn)方向的判別很重要。采用ＳＴ288Ａ方向判別器作為關(guān)鍵器件（圖2）。

圖2?。樱?88Ａ方向判別電路

ＳＴ288Ａ是八腳雙列直插封裝，5Ｖ工作電源，具有集成度高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。并具有如下功能：具有內(nèi)部整形電路及數(shù)字濾波功能，可去除抖動(dòng)誤差;具有正方向脈沖輸出、反方向脈沖輸出、方向指示電平輸出、雙向脈沖輸出;它有多種輸出脈沖寬度（最小0.002ｍｓ）可選擇。當(dāng)最小脈沖寬度為0.002ｍｓ時(shí)，對(duì)應(yīng)的最高脈沖頻率則為250ｋＨｚ（即ＳＴ288Ａ的輸出脈沖頻率范圍為0～250ｋＨｚ），進(jìn)而可計(jì)算出光電編碼器所能測(cè)定的最高轉(zhuǎn)速（500線光電編碼器為500ｒ/ｍｉｎ，1000線光電編碼器為250ｒ/ｍ）。Ａ、Ｂ分別為光電編碼器Ａ相、Ｂ相信號(hào)的輸入端。圖3是ＳＴ288Ａ的工作時(shí)序圖。

圖3　方向判別電路時(shí)序圖

2.2、加減計(jì)數(shù)器電路

計(jì)數(shù)器部分采用4個(gè)可預(yù)置4位雙時(shí)鐘加減計(jì)數(shù)器74ＨＣ193［2］級(jí)聯(lián)組成16位加減計(jì)數(shù)電路（圖4）。

圖4　加減計(jì)數(shù)電路

Ｐ0～Ｐ3為計(jì)數(shù)器的4位預(yù)置數(shù)據(jù)端，與數(shù)據(jù)輸入鎖存器相接;ＱＡ～ＱＤ為計(jì)數(shù)器的4位數(shù)據(jù)輸出端，與數(shù)據(jù)輸出緩沖器相接;ＭＲ為清零端與上電清零脈沖想接;ＰＬ為預(yù)置允許端，由譯碼控制電路觸發(fā);ＣＵ為加脈沖輸入端，ＣＤ為減脈沖輸入端;ＴＣＵ為進(jìn)位輸出端，ＴＣＤ為借位輸出端。ＣＵ和ＣＤ其中一個(gè)輸入脈沖時(shí)，另一個(gè)必須處于高電平，才能進(jìn)行計(jì)數(shù)工作，而從ＳＴ288Ａ輸出的正、反向脈沖不能滿足這個(gè)條件，因此需經(jīng)反向器后進(jìn)入計(jì)數(shù)器。

2.3、數(shù)字比較電路

16位數(shù)字比較電路采用4個(gè)74ＨＣ85級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每個(gè)比較器的Ａ0～Ａ3接相對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的輸出端;Ｂ0～Ｂ3接相對(duì)應(yīng)鎖存器的輸出端;級(jí)聯(lián)的初級(jí)按Ａ=Ｂ方式接線。光電編碼器的16位數(shù)字預(yù)定位置由微機(jī)Ｉ/Ｏ數(shù)據(jù)卡輸出并鎖存在鎖存器的輸出端，通過數(shù)字比較電路與16位計(jì)數(shù)電路的當(dāng)前位置比較，就能適時(shí)指示出當(dāng)前編碼器是否到達(dá)預(yù)定位置。

2.4、譯碼控制電路

數(shù)據(jù)鎖存電路的鎖存操作、數(shù)據(jù)緩沖電路輸出操作、加減計(jì)數(shù)電路的預(yù)置操作都要指令控制。譯碼控制電路采用3-8譯碼器74ＨＣ138（圖5）。

圖5 ?譯碼控制電路

16位Ｉ/Ｏ數(shù)據(jù)卡的輸出口低8位ＤＯ0～ＤＯ7作為數(shù)據(jù)輸出，高8位ＤＯ8～ＤＯ15作為控制輸出;輸入口的低8位ＤＩ0～ＤＩ7作為數(shù)據(jù)輸入口，高8位ＤＩ8～ＤＩ15閑置不用。每個(gè)控制指令的作用時(shí)間由軟件來控制。Ｉ/Ｏ數(shù)據(jù)卡的16位輸出端具有鎖存功能。為控制計(jì)數(shù)電路的各項(xiàng)操作，高8位ＤＯ8～ＤＯ15輸出的各種指令控制字為：

低8位數(shù)據(jù)鎖存操作控制字：81Ｈ

高8位數(shù)據(jù)鎖存操作控制字：82Ｈ

低8位數(shù)據(jù)緩沖輸出控制字：83Ｈ

高8位數(shù)據(jù)緩沖輸出控制字：84Ｈ

16位計(jì)數(shù)器預(yù)置操作控制字：85Ｈ

2.5、頻率電壓變換電路

Ｆ/Ｖ變換采用集成電路ＬＭ2907Ｎ-8及外圍元件構(gòu)成。根據(jù)設(shè)定的電路參數(shù)可推導(dǎo)出變換輸出電壓Ｖｏ為

Ｖｏ=4×10^-5ｆ，（1）

式中?。鏋檩斎朊}沖信號(hào)的頻率，Ｈｚ;

Ｖｏ：輸出電壓模擬量，Ｖ。

由于ＳＴ288Ａ的輸出脈沖頻率范圍為0～250ｋＨｚ，因此根據(jù)式（1）Ｆ/Ｖ轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為0～10Ｖ，與Ｉ/Ｏ數(shù)據(jù)采集板中的Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換范圍相適應(yīng)。

3、實(shí)　驗(yàn)

按照本文闡述的方法設(shè)計(jì)了用于微機(jī)接口的增量型光電編碼器計(jì)數(shù)電路，對(duì)長(zhǎng)春第一光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的增量式編碼器（ＣＨＡ，4.5～16.5Ｅ，500Ｐ/ｒ）進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中用擋塊確定位置，測(cè)試了從0℃正向旋轉(zhuǎn)到1440℃，又反向旋轉(zhuǎn)回到0℃的過程，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1　光電編碼器用可編程計(jì)數(shù)電路的測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它工作穩(wěn)定可靠，完全滿足微機(jī)與增量型光電編碼器的接口要求。并可在復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

4、結(jié)束語

提出了一種用于微機(jī)接口的增量型光電編碼器計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)方法，該電路主要由集成方向判別器、雙脈沖加減計(jì)數(shù)器、數(shù)字比較器、譯碼控制器、數(shù)據(jù)輸入鎖存器、數(shù)據(jù)輸出緩沖器等構(gòu)成。它具有輸出增量型光電編碼器位置的16位數(shù)字量、旋轉(zhuǎn)速度脈沖量和旋轉(zhuǎn)方向指示電平，具有與微機(jī)Ｉ/Ｏ數(shù)據(jù)采集板接口的計(jì)數(shù)器鎖存預(yù)置、位置量緩沖輸出的功能。實(shí)驗(yàn)證明，該電路工作可靠穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，有較高的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)不同需要還可擴(kuò)展為20，24位等的光電編碼器計(jì)數(shù)電路。