基于CPLD的編碼器解碼接口、PWM輸出方案

引言
　　在數控機床或其他數控設備中，往往都會(huì )用到光柵尺或編碼器等位置傳感部件，用以來(lái)測量機械運動(dòng)部件的實(shí)際運動(dòng)位置及速度信息。那么光柵尺或編碼器測量到的數值，就需要專(zhuān)門(mén)的接收部件來(lái)處理。一般的編碼器輸出的信號是AB（或ABZ）相正交編碼信號，之所以這樣編碼也是為了將方向信息加入碼流，同時(shí)也有利抗干擾等方面的處理。因此在接收這個(gè)信號時(shí)就需要專(zhuān)門(mén)的解碼接口電路，將所得的數據也就是實(shí)際運動(dòng)位置/位置信息傳遞給處理單元，或通過(guò)總線(xiàn)（比如 PCI）傳遞給數控設備的中央控制系統中，讓控制系統的軟硬件根據測來(lái)的實(shí)際信息與理想（邏輯）信息進(jìn)行對比，然后根據比較的誤差結果再去調節運動(dòng)部件的位置和速度，或做其他中斷、開(kāi)關(guān)性的輸出動(dòng)作以達到控制機械運動(dòng)的目的。甚至，通過(guò)一套完整的算法來(lái)把位置、速度、力矩等信息納入體系中來(lái)，做實(shí)時(shí)反饋處理，這也就是我們所說(shuō)的閉環(huán)（半閉環(huán)）處理，我們常見(jiàn)的算法就是PID(或PI)算法。這樣以來(lái)，就比較方便于讓機械設備在全自動(dòng)的運行下達到快、準、柔的特性。
　　1 、用CPLD來(lái)實(shí)現編碼器解碼接口及PWM輸出功能
　　現在市面上已經(jīng)有專(zhuān)用的編碼器信號/AB相正交編碼信號解碼接口芯片，主要是歐美等國家提供的芯片，比如HCTL-2016/HCTL-2020等產(chǎn)品。但是這些產(chǎn)品性能價(jià)格比還是比較差，功能不夠豐富，使用起來(lái)也不靈活方便，很難適合廣大客戶(hù)的需求。
　　而用中規模的CPLD來(lái)完成AB相正交編碼信號解碼功能的設計，就成了一個(gè)選擇，加之CPLD的可塑性，及日益走好的性?xún)r(jià)比趨勢，這種方案甚至成為了唯一的最優(yōu)選擇。
　　一般情況，Altera/Lattice/Xilinx的市面主流的CPLD都可以滿(mǎn)足設計的需求，邏輯在中等規模，約500-1000宏單元，就可以完成1-4通道解碼AB相正交編碼信號解碼功能，并且可以外加1-4通道的PWM發(fā)生，以及多路數字量I/O的擴展功能?；蛘咄瓿?-4軸AB相解碼外加可編程脈沖發(fā)生功能。
　　而要充分利用CPLD的資源，并且達到一個(gè)高性能、高可靠性的設計，是需要足夠的技術(shù)力量保障的，這樣才會(huì )有高性加比的產(chǎn)品出現。
　　深圳市斯邁迪科技發(fā)展有限公司正式這樣的公司，專(zhuān)業(yè)從事運動(dòng)控制SOPC（即CPLD、 FPGA）的芯片級技術(shù)方案和平臺級技術(shù)方案開(kāi)發(fā)，并向市場(chǎng)推出多款運動(dòng)控制SOPC芯片產(chǎn)品。其中SM2100系列就是1-4路的ABZ相編碼器信號的解碼及PWM輸出功能SOPC產(chǎn)品。
　　以下是2100系列的功能介紹
　　1.1 SM2100特點(diǎn)簡(jiǎn)介
　　SM2100提供了1-4通道的ABZ相解碼、4倍頻、16位的編碼器計數范圍和16位的PWM脈沖發(fā)生的功能。同時(shí)在芯片內部附加了8路通用輸入和8路通用輸出。由于芯片是SOPC技術(shù)方案，因此還可以根據客戶(hù)的具體需求做定向化的設計。
　　圖1是其功能框圖。下面是其性能指標：
　　輸入時(shí)鐘CLK頻率最高到80MHz，標準輸入頻率40MHz；
　　PWM的占空比調節范圍0～4095，頻率調節范圍150Hz~150KHz；
　　16位編碼器計數器，可達計數范圍為：1~ 65535；
　　AB相輸入可4倍頻，AB相輸入內接3階數字低通濾器，濾波帶寬4級可調。

圖1：SM2100功能框圖

　　1.2 SM2100的設計應用說(shuō)明
　　SM2100是一個(gè)SOPC方案，它的應用特點(diǎn)如同常見(jiàn)的ASIC一樣方便，通過(guò)8位CPU接口與主控器件接口，通過(guò)內部寄存器來(lái)設置其工作狀態(tài)及功能。
　　其中CPU接口非常簡(jiǎn)單：
　　8根雙向數據總線(xiàn)：D0~7；
　　7根地址總線(xiàn)：A0~6；
　　1根片選線(xiàn)：CS_n；
　　1根讀允許線(xiàn)：RD_n；
　　1根寫(xiě)允許線(xiàn)：WR_n。
　　也可以根據用戶(hù)需要，提供16位總線(xiàn)接口。除了數據總線(xiàn)增加到16根外，其它信號與8位總線(xiàn)接口相同。
　　下面是主要的功能設置寄存器介紹。通過(guò)這些寄存器的描述，應用工程師們可以一目然地看清了SM2100的具體功能及如何使用。

　　1.3 SM2100的主要功能原理及應用介紹
　　A、編碼器解碼計數功能
　　下圖2是解碼計數部分的原理：