一種簡(jiǎn)單實(shí)用的測角碼盤(pán)設計方案
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關(guān)鍵詞：測角碼盤(pán) 編碼膠片 狀態(tài)編碼
測控系統中，經(jīng)常用到采集各種角度參數或對轉動(dòng)機構進(jìn)行測速的角度傳感器。目前，市場(chǎng)上一些具有成熟技術(shù)的角度傳感器有自增角機、電位器、碼盤(pán)、霍爾元件和齒輪計數器等。這些產(chǎn)品中，有的精度很高，但價(jià)格昂貴，有的價(jià)格便宜，但結構復雜，往往難于同時(shí)滿(mǎn)足結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的要求。本文介紹一種光電碼盤(pán)設計方案，硬件結構非常簡(jiǎn)單、成本價(jià)格十分便宜，而且穩定性好、使用壽命長(cháng)，又能滿(mǎn)足多數情況下的精度要求。
1 工作原理
1.1 原始信號的產(chǎn)生
（1）信號產(chǎn)生原理
圖1是碼盤(pán)產(chǎn)生原始信號的原理示意圖。
本碼盤(pán)用于采集信號的器件是一對發(fā)光管和接收管，每個(gè)管內有兩套收發(fā)裝置。其功能實(shí)現過(guò)程為：在發(fā)光管和接收管之間放一圓形黑白相間且寬度相同的編碼膠片，使三者分別處于相互平行的平面內，將發(fā)光管和接收管中心對正，并使編碼膠片可以繞其軸心旋轉。上電后，發(fā)光管會(huì )連續不斷地發(fā)射信號，但由于膠片是黑白相同的，所以當黑色部分正對發(fā)光管時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的信號將被阻擋，使接收管接收不到信號；而當白色部分正對發(fā)光管時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的信號將透過(guò)膠片射到接收管上。這樣，在接收端就得到兩路連續變化的正弦波。
（2）方向判別原理
圖2為原理示意圖。
編碼膠片寬度是收發(fā)裝置距離的兩倍，兩收發(fā)裝置位置關(guān)系應滿(mǎn)足B=(0.7n+0.35)+A，圖中n=0。
同理，當膠片向右轉動(dòng)時(shí)，A、B信號變化恰好相反。這樣，通過(guò)A、B信號不同的變化規律實(shí)現對方向的判別。
1.2 信號處理
圖3是碼盤(pán)信號處理電路圖。
該電路的主要任務(wù)是將產(chǎn)生的原始模擬信號轉換為數字信號，即模數轉換。由傳感器產(chǎn)生的0V為振蕩中心的正弦波信號，經(jīng)跟隨器處理后轉換為以+2.5V為振蕩中心的正弦波信號。通過(guò)調節電位器，使其波形達到最佳狀態(tài)，然后，經(jīng)過(guò)大器將正弦波信號放大10倍。此時(shí)，由于放大的拉伸作用，被鉗位在0～5V之間的信號已具有非常陡的上升沿和下降沿，最后經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后，以方波形式輸給單片機。其波形關(guān)系如圖4所示。
1.3 信號控制及傳輸
圖5為控制傳輸電路圖。
信號處理電路產(chǎn)生的方波信號A、B由端口Px.m和Px.n輸入，然后通過(guò)軟件比較端口現在時(shí)刻和下一時(shí)刻的狀態(tài)變化，實(shí)現功能選擇。最后，通過(guò)端口Px.k控制的串行通信 芯片75176傳給主控板，實(shí)現信號的控制傳輸。
2 軟件設計
2．1 狀態(tài)編碼
由圖4可知，A、B信號的相位相差1/4個(gè)周期，所以可得圖6所示的狀態(tài)變換圖。
若規定順序時(shí)針?lè )较蛴嫈灯鳛榧?，逆時(shí)針?lè )较蛴嫈灯鳛闇p。
這樣，通過(guò)不同狀態(tài)值的變換就可對數據進(jìn)行加操作、減操作和不操作，從而實(shí)現對信號的連續處理功能。
2．2 軟件編程
軟件流程如圖7所示。
主要可分為以下幾部分。
①上電開(kāi)始后，軟件首先對AT89C2051的內部寄存器和RS422串行口進(jìn)行初始化。通過(guò)對專(zhuān)用寄存器的賦值，設定工作狀態(tài)和通信 方式，串行通信的波特率為9600b/s。
②初始化完成后，軟件將檢測端口Px.m和Px.n的狀態(tài)，程序用兩位記錄端口相鄰狀態(tài)值，左一位代表前一狀態(tài)，右一位代表當前狀態(tài)，然后通過(guò)帶進(jìn)位的左循環(huán)指令進(jìn)行狀態(tài)更新。通過(guò)狀態(tài)值變化，查表2，跳轉進(jìn)入執行程序。
③在執行程序中，可根據不同需要設定上下限進(jìn)行數據處理。同時(shí)，由于處理程序很少，執行時(shí)間短，串行通信部分可采用查詢(xún)方式完成。
3 應用實(shí)例
把該設計應用到筆者開(kāi)發(fā)的項目―某型轉達訓練系統上。采用圖3和圖5所示的電路設計方案，用該碼盤(pán)連續采集空中飛行目標的方位角和高低角。
以高低角采集為例，系統指標要求高低角變化范圍是-50～1450密位，設計中采用的編碼膠片精度是480單位/圈。如文中圖1所示，由于編碼膠片是圓形的，且一個(gè)黑色或一個(gè)魄區間均可稱(chēng)為一個(gè)單位，所以計算其精度時(shí)用每圈包含的黑白區間個(gè)數確定，因此用單位/圈。對高低角增減判斷主要通過(guò)軟件編程實(shí)現，這段程序如下。
MOV C，P3.3 ；P3.3為A信號采集端口，
RLCA ；用于A(yíng)信號新舊狀態(tài)轉換
MOV C，P3.5 ；P3.5為B信號采集端口，
RLCA ；用于B信號新舊狀態(tài)轉換
MOV R4，A
ANL A，#0FH ；計算散轉地址
MOV B，#03H
MUL AB
MOV DPTR，#TIM1；TIM1為狀態(tài)真值表首地址
LJMP @A+DPTR ；散轉至真值表
然后，通過(guò)查真值表狀態(tài)值，轉入處理程序實(shí)現角度的加減。若出現丟碼現象，說(shuō)明單片機采集速度低于碼盤(pán)轉動(dòng)速度，可根據實(shí)際情況更換采集芯片或降低碼盤(pán)轉動(dòng)速度。同時(shí)，通過(guò)規定編碼膠片每旋轉個(gè)單位對應的角度值變化1密位（密位是軍事用語(yǔ)，一種更精確的劃分角度方法，一周為360度，6000密位）和相應的單位轉換。在軟件中確定了碼盤(pán)采集量的上下限和單位變化量，從而限定了高低角的變化范圍，也達到了采集精度要求。
圖8
說(shuō)明實(shí)際應用電路中各級輸出信號與原理電路的設計完全相符，軟件采集的信號為真實(shí)值。
經(jīng)實(shí)踐檢驗，該方案設計的碼盤(pán)能準確的采集目標參數，使系統對目標進(jìn)行連續跟蹤。
本文介紹的測角碼盤(pán)設計方案使用的都是容易購買(mǎi)的簡(jiǎn)單器件，且軟件編程任務(wù)量少。此外，可通過(guò)在旋轉軸上安裝微動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現碼盤(pán)計數的快慢變化，還可通過(guò)采用絕對式編碼膠片進(jìn)一步提高采集精度。
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