２００７年６月 第７卷第２期 湖南芽一印蘑学报 旦 ａｎ Ｆｉ望 Ｎｏｒｍａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｊｕｎ．２ｏ０７ Ｖｏ１．７ Ｎｏ．２ 基于ＦＰＧＡ的编码器信号处理的电路设计与实现 廖永忠 ，廖亦凡 （１．湖南省第一师范学校，湖南长沙４１０００２；２．湖南涉外经济学院，湖南长沙４１０２０５） 摘要：一种基于ＦＰＧＡ的四轴伺服编码信号处理电路，采用ＦＰＧＡ来实现四轴伺服编码信号处理电路，完成位置伺服控 制系统的位置的测量与反馈。实验结果表明，这种四轴编码信号处理电路具有结构简单、可靠性高、抗干扰能力强的优点。 关键词：ＦＰＧＡ ＶＨＤＬ；编码器：四倍频 中图分类号：ＴＭ１３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１—４３６９（２００７）０２—０１５６—０２ 在以机械位置或角度作为控制对象的计算机闭环和半 闭环位置伺服控制系统中，伺服装置接受计算机的位置或 速度指令，经过变换和放大后转换成机械位移。位置检测 线。其接口信号框图如下： 竺 ：・卜——— 元件把机械位移信号变成数字量，计算机以固定周期对位 置输出数字量进行采样，反馈到输入端，与指令信号进行比 较，两者的差值作为伺服系统跟随误差，经过 动线路控制 —ＹＢ｝＝＝ 仁＝＝＝ ｝＝＝＝ ＦＰＧＡ ｚ＾ｚＢ＾ ＾Ｂ — ！ ：！ 竺！兰｝＝＝＝ ＝＝ 执行元件带动机械位移，直到跟随误差为零。在半闭环位 置伺服控制系统中，常采用增量式光电编码盘作为位置检 测元件，其输出是两组相差９０。的方波信号，通过对这两组 信号的处理，来实现对执行元件实际位置的测量。本文设 计了一种ＤＳＰ的四轴数控伺服控制系统中的四轴编码器 信号处理电路部分。 四轴编码器信号处理电路是对光电编码器输出的两组 相差９０。的方波信号的处理，从而获得执行元件的实际位 置。其输出是一路１６位的数字量，反馈给中央处理器，编 码器信号处理电路包括滤波、倍频、计数几个功能模块。传 统的四轴编码器信号处理电路采用分立元件来设计，它可 靠性、抗干扰能力差。应用ＦＰＧＡ设计的单片并行四轴编 码器信号处理电路具有实时性好、硬件体积小、工作效率 高，提高了系统的集成度。相对于分立元件，单片并行四轴 编码信号处理电路集成在一个片子上，一方面单片芯片内 的门电路、触发器的参数特性是完全一致的，在相同转速下 脉冲信号的脉冲周期可以保持一致；另一方面，电路做在单 个芯片内，抗干扰性能比分离器件构成的电路也有很大的 图２数字滤波仿真波形 图１接口信号框图 （一）滤波模块的设计 编码盘理论上是稳定的方波信号，但在实际操作中，经常 会存在脉动干扰。滤波模块的功能是将这些脉动干扰滤掉，降 低系统产生错误动作的可能性，提高系统的可靠性。下面的 ＶＨＤＬ程序通过对Ａ、Ｂ两相方波信号同时延时四个ＣＬＫ脉 冲，脉冲宽度小于三个ＣＬＫ脉冲周期的输入信号被滤掉。 ｐｒｏｃｅｓｓ（ｃｌｋ） ｂｅｇｉｎ 提高，增强了系统的灵活性、通用性和可靠性。可逆计数器 电路通过对脉冲编码器信号进行计数，确定电机运动位移 反馈ＤＳＰ，计算出与给定位置的误差值，完成位置控制。将 设计好的数字滤波电路、倍频鉴相电路、可逆计数器模块下 载到可编程逻辑控制器件中，实现对编码器输出信号的处 理。本例是一个四轴伺服系统，因此有八路四组方波信号， Ａ相Ｂ相相差９０。，ＣＬＲ、ＣＬＫ、ＷＥ分别为输出清零、系统时 钟和输出使能，ＳＥＬＣＥＴ是输出选择信号，选择ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ 中的一组信号处理的结果作为输出信号，分时送到数据总 ｉｆ（ｅｌｒ＝‘１’）ｔｈｅｎ ｐｂ＜＝‘０’： ｅｌｓｅ ｉｆ（ｅｌｋ‘ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｅｌｋ＝１’）ｔｈｅｎ ｆ（０）＜＝ｂ； ｆ（２ ｄｏｗｎｔｏ １）＜＝ｆ（１ ｄｏｗｎｔｏ ０）； ｉｆｆ＝“１１１”ｔｈｅｎ ｐｂ＜＝‘１’： ｅｌｓｉｆｆ＝“ｏｏ０”ｔｈｅｎ ｐｂ＜＝‘０’： 收稿日期：２ｏｏ７—０３—０７ 作者简介：廖永忠（１９７５一），湖南常德人，湖南省第一师范学校信息技术系教师，工程师，硕士；廖亦凡（１９７６一），男， 湖南邵阳人，湖南涉外经济学院助讲。 １５６ 维普资讯 http://www.cqvip.com
ｅｎｄｉｆ； ｊ＜＝‘１’； ｅｌｓｅ （二）倍频计数模块的设计 ｊ＜＝‘０’； 四倍频电路的设计是为了增加计数脉冲在一个周期中 ｅｎｄ ｉｆ； 的个数，来提高测量的分辨率。工程中常把光电编码器输 ｅｎｄ ｉｆ； 出的两路方波信号的上升沿和下降沿，来获得四倍频的脉 ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ； 冲信号，把光电编码器的分辨率提高四倍，通过光电编码器 观察上面的ＶＨＤＬ程序可以知道，在一个周期内产生 输出两路方波信号相差的正负来确定运动的方向，对光电 的四倍频计数脉冲输出Ｓ，方向判别信号Ｊ，通过一个１６位 编码器输出信号Ａ、Ｂ，可以写成： 可逆计数就可以实现对伺服装置的位置检测，实现位置伺 （￡）＝。 ｕ ｕ（￡一｛一＋二 ）一ｕ（￡一 ＋ ） （１—１） 服控制系统的闭环或半闭环控制。 ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａ ｏｆｊｓ４ｂｐｌ０ ｉｓ （￡）＝磊ｕ（￡一 ＋ｋｒ）一Ｕ（ｔ－÷ ＋ｋｒ）（１—２） ｓｉｇｎａｌ ｐｌ，ｐ２：ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ； ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｊｓ４ｂｐ９ 分别将 （ｔ）ｆＢ（ｔ）延迟”的函数记为 ，（ｔ） ，（ｔ） ｏｐｒｔ（ａ，ｂ，ｃｌｃｏｋ：ｉｎ ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ；ｓ，ｊ：ｏｕｔ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ）； ，（￡） 五（￡一寺一ｔ，＋ ）一ｕ（￡一 —ｔ，＋ ）（１—３） ｅｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ； ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｊｓ４ｂｐ１４ ，（￡） 善（￡一寺一ｔ，＋ ）一ｕ（￡一 —ｔ，＋ ）（１＿４） ｏｐｒｔ（ｃｌｒ，ｅｌｋ，ｕｐｄｏｗｎ；ｉｎ ｓｔｄ—ｌｏ ｃ；ｃｏｕｎｔ：ｏｕｔ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ— 当 加时 （ｔ）一 ，（ｔ）一 （ｔ）一 ，（ｔ）一 如式 ｖｅｃｔｏｒ（１５ ｄｏｗｎｔｏ ０））； ｅｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ； （ｔ）一 ，（ｔ）＝∑ （ｔ一÷＋ｋＴ）一 （ｔ—Ｔ＋ｋＴ）ｏｒ ｂ￣ｇｉｎ ｗＯ：ｊｓ４ｂｐ９ ， （１—５） （）一 ，（）一ｔ ，（）＝ｋ（）＝∑ （一等＋ｔ ∑＝０ （ｔ ＋ｋｒ）一 ｋＴ 一 （ｔ－ ｔ ÷ ＋ｋｋｒ）ｏｐｒｔｍａｐ（ｃｌｃｏｋ＝＞ｃｌｃｏｋ，ａ＝＞ａ，ｂ＝＞ｂ，Ｓ＝＞ｐｌ，ｊ＝ 一 Ｔ ＞ｐ２）； （１—６） ｗｌ：ｊｓ４ｂｐ１４ 这里只讨论第一个周期的情况，后面的周期可以依次 ｐｏｒｔｍａｐ（ｃｌｒ＝＞ｄｒ，ｃｌｋ＝＞ｐｌ，ｕｐｄｏｗｎ＝＞ｐ２，ｃｏｕｎｔ＝ 类推。在第一个周期内 ＞ｃｏｕｎｔ）； ． ’ （ｔ）一 ，（ｔ）＝ （ｔ一÷）一 （ｔ—Ｔ） （１—７） ｅｎｄ ａ； ＇ ｆＢ（ｔ）一 ，（￡）＝ （￡一等）一 （￡一４ｒ） （１—８） 不考虑 的正负（只需要在一个周期中产生四个脉 冲） （ｔ）一 ，（ｔ） （ｔ）一 ，（ｔ）各产生两个脉冲，在延迟” 内，利用异或门来实现产生脉冲，即 图３计数仿真波形 （ｔ）Ｑ ，（ｔ）＝ （ｔ一÷）＋ （ｔ—Ｔ） （１—９） 实践结果表明，这种四轴编码信号处理电路具有结构 １ ｆ ｆｓ（ｔ）＠ｆｓ，（ｆ）＝ （￡一芋）＋Ｏｒ（ｔ一亍 ） （１＿１０） 简单、可靠性高、抗干扰能力强的优点。 运动方向通过观察光电编码器输出的两路方波信号相 参考文献： 位的特点来确定。当Ａ相上升沿到来时，如果Ｂ相脉冲值 ［１］曾繁泰等．ＶＨＤＬ程序设计［Ｍ］．北京：清华大学出版 为低电平，则是正转；为高电平。则为反转。下面是实现单 社。２０ｏ２． 周期产生四个脉冲的ＶＨＤＬ程序： ［２］高盛涛．基于．Ｙ－，＿ｌｋ ＰＣ的６轴伺服控制卡的研究和实 ｐｒｏｃｅｓｓ（ｃｌｃｏｋ。ａ） ｂ￣ｇｉｎ 现［Ｄ］．北京：中国科学院，２００１． ｉｆ（ｃｌｃｏｋ‘ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｃｏｋ＝’１‘）ｔｈｅｎ ［３］葛一楠．基于ＣＰＬＤ的光电脉冲码盘信号四倍频电路 ｐａ＜＝ａ；ｐｂ＜＝ｂ； 设计［Ｊ］，成都：成都大学学报（自然科学版），２００４，２３ Ｓ＜＝（ａ ｘｏｒ ｐａ）ｏｒ（ｂ ｘｏｒ ｐｂ）； （３）：３４～３８． ｅｎｄ ｉｆ； ［４］包明，赵明富，陈渝光．ＥＤＡ技术与数字系统设计［Ｍ］． ｉｆ（ａ’ｅｖｅｎｔ ｎａｄ ａ：‘１’）ｔｈｅｎ 北京：北京航空航天大学出版社，２００２． ｉｆｂ＝‘０’ｔｈｅｎ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒ￣ｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｄｅｒ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＬＩＡ０ Ｙｏｎｇ—ｚｈｏｎｇ ．ＬｉａｏＹｉ—ｆａｎ （１．Ｈｕｎａｎ Ｆｉｒｓｔ Ｎｏｒｍａｌ ＣｏＵｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１０００２； ２．Ｈｕｎａｎ ＣｏＵｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１０２０５） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ４一ａｘｉｓ ｓｅｒｖｏ ｃｏｄｅｒ ｓｉｎｇａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．ＦＰＧＡ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｌｅ— ｍｅｎｔ ４一ａｘｉｓ ｓｅｒｖｏ ｃｏｄｅｒ ｓｉｎｇａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ．ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｆ ｓｅｒ ｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ４一ａｘｉｓ ｃｏｄｅｒ ｓｉｎｇａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｓ ｖｉｒｔｕｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｓｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｇ ｃａｐａｂｉｈｔｙ ｏｆ ｎａｔｉ—ｊａｍｍｉｎｇ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ＶＨＤＬ；ｅｎｃｏｄｅｒ；ｑｕａｄｒａｎｔ ［责任编辑：胡重光］ １５７
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