一種基于A(yíng)rduino的光電編碼器檢測儀設計方案

　　0 引言

　　Arduino是一款基于單片機系統的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺，它的軟硬件系統都具有高度的模塊化，而且軟件系統是完全開(kāi)源的。其硬件系統也是高度模塊化的，在核心控制板的外圍有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊、各種模擬量傳感器輸入模塊、總線(xiàn)類(lèi)傳感器的輸入模塊，還有網(wǎng)絡(luò )通信模塊[1-2].Arduino有自己特有的編程語(yǔ)言。其語(yǔ)法規則類(lèi)似C/C++語(yǔ)言，IDE環(huán)境和語(yǔ)言把單片機與硬件相關(guān)的一些參數都參數化并進(jìn)行了很好的封裝，把端口都打包，寄存器、地址指針之類(lèi)的基本不用管，大大降低了軟件開(kāi)發(fā)難度。因此不用開(kāi)發(fā)者去了解其硬件結構即可對其編程，實(shí)現設計者的設計意圖和創(chuàng )意[3].

　　本文提出了一種基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測儀設計方案，能夠對光電編碼器的好壞進(jìn)行判斷，實(shí)現光電編碼器正轉與反轉時(shí)的脈沖計數。

　　1 整體設計

　　該檢測儀主要由調理電路、Arduino控制板、液晶顯示電路等組成，如圖1所示。

　　CLKA和CLKB為光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的編碼信號。調理電路用來(lái)對這兩路信號進(jìn)行整形濾波等信號處理，最后送至Arduino控制板。Arduino控制板用來(lái)實(shí)現光編碼器脈沖個(gè)數的計數，正轉、反轉兩種脈沖信號的判別。液晶顯示電路用來(lái)顯示檢測的參數，同時(shí)對不同型號光電編碼器進(jìn)行選擇控制。

　　2 硬件部分設計

　　2.1 調理電路

　　信號調理電路用于檢測信號的調理，主要是把待測交流信號，經(jīng)過(guò)濾波、放大、選通、有效值轉換、限幅等處理，送到微控制器進(jìn)行測量。

　　圖2為調理電路框圖，光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的正弦波信號A、B,經(jīng)施密特觸發(fā)器變?yōu)閍、b兩組方波信號。A 分為兩組：一路經(jīng)微分電路，在方波的上升沿形成脈沖信號d,再由門(mén)電路輸出，形成正轉脈沖，另一路經(jīng)反相器，形成反相方波c,再經(jīng)微分電路形成脈沖信號e,由門(mén)電路輸出反相脈沖g.b組方波直接連到兩個(gè)門(mén)電路的控制端，作為兩個(gè)門(mén)電路的選通信號。

　　光電編碼器正轉時(shí)，b組信號超前90°，它的方波正半波對應不經(jīng)反相器a組方波的上升沿，正半波又使門(mén)電路選通，d組脈沖通過(guò)門(mén)電路形成正轉脈沖;而c組方波的上升沿對應b組方波負半波，此時(shí)雖然微分電路輸出e脈沖，但門(mén)電路關(guān)閉，不能輸出反相脈沖g.當編碼器反轉時(shí)，情況正好相反。最終輸出的脈沖分別送入控制檢測電路進(jìn)行計數。

　　2.2 Arduino控制板

　　本檢測儀采用了意大利最新開(kāi)發(fā)的Arduino Due微控制器。Arduino Due 是一塊基于A(yíng)tmel SAM3X8ECPU 的微控制器板。它是第一塊基于32 位ARM 核心的Arduino,使用32位ARM核心的Due相較于以往的使用8位AVR核心的其他Arduino更強大：32位核心在一個(gè)時(shí)鐘能處理32位的數據?？刂瓢灏?4個(gè)數字I/O引腳(其中12路PWM輸出)，12個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)模擬輸出通道(DAC)，I/O口總輸出電流為130 mA.3.3 V端口輸出能力為800 mA,5 V 端口輸出能力為800 mA,FLASH 512 KB(所有空間都可以?xún)Υ嬗脩?hù)程序)，SRAM96 KB(兩個(gè)部分：64 KB and 32 KB)，時(shí)鐘速率[4-5]為84 MHz.

　　由于A(yíng)rduino due的工作電壓為3.3 V,I/O口可承載電壓也為3.3 V,所以經(jīng)過(guò)調理電路產(chǎn)生的5 V 脈沖不能直接處理。本檢測儀通過(guò)SN74lVC4245 芯片把5 V的脈沖整形為3.3 V的脈沖。

　　2.3 液晶顯示電路

　　本設計中采用了國產(chǎn)開(kāi)發(fā)的可編程智能LCD(即Programmable Smart LCD,簡(jiǎn)稱(chēng)PS-LCD)。PS-LCD 是一種包含LCD顯示屏、LCD控制器、觸摸屏、人機界面處理系統和通信接口于一體的智能顯示模組，通過(guò)可選的通信接口與外部控制單元(如：51單片機、ARM、DSP、PC、PLC、總線(xiàn)設備等)連接，實(shí)現系統的人機交互界面。

　　新建Designer工程，定義界面分辨率、界面切換效果和主界面等;設置背景、加入/設置控件、定義事件動(dòng)作等;PS-LCD的采用Java Script的腳本語(yǔ)言，Java Script是因特網(wǎng)上最流行的腳本語(yǔ)言，它存在于全世界所有Web 瀏覽器中，能夠增強用戶(hù)與Web 站點(diǎn)和Web 應用程序之間的交互。本液晶顯示屏通過(guò)腳本編寫(xiě)實(shí)時(shí)地顯示微控制器采集送過(guò)來(lái)的脈沖個(gè)數，并進(jìn)行判斷。

　　用LCD 模擬器驗證界面效果和通信過(guò)程，重復前面步驟直到滿(mǎn)意為止。

　　PS-LCD 作為先進(jìn)的智能人機界面產(chǎn)品，能通過(guò)通信接口輕松靈活地與外部控制單元實(shí)現數據交互。目前，PS-LCD支持兩種通信協(xié)議：CTP(Cooky Talking Pro-tocol)協(xié)議和用戶(hù)自定義(UserDefine)協(xié)議。本檢測儀采用的是CTP協(xié)議。

　　在CTP通信模式下，PS-LCD在收到通信命令后，會(huì )立刻執行，結束后會(huì )向主控制器返回結果。由于PS-LCD的串口通信協(xié)議跟微控制器Arduino Due的通信協(xié)議不一致，在通信過(guò)程中要進(jìn)行轉換和控制。為了取消PS-LCD 命令執行結果的自動(dòng)回復消息，在CTP 通信模式下，通過(guò)調用ctpSet(“reply”,0)函數取消PS-LCD 的自動(dòng)回復。PS-LCD同時(shí)通過(guò)通信協(xié)議產(chǎn)生的串口信號來(lái)控制微控制器的工作，真正實(shí)現人機互動(dòng)的效果[6].

　　生成界面輸出文件spf,然后將spf文件通過(guò)PS-LCD專(zhuān)用軟件工具Flex下載到PS-LCD驗證最終界面效果。

　　本檢測儀PS-LCD最終的檢測界面如圖3所示。