岳 振，顧海峰，李范鳴

（中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

光電編碼器是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成一串脈沖或數(shù)字量的傳感器。在電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，它與電機(jī)同軸連接，常用來測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度和位置[1]。近年來，隨著研究室小批量軍工生產(chǎn)的開展，需要批量采購部分絕對(duì)值編碼器等外協(xié)器件。為方便檢驗(yàn)采購的編碼器，保障生產(chǎn)任務(wù)的按時(shí)完成，設(shè)計(jì)了一個(gè)單圈絕對(duì)值編碼器實(shí)時(shí)讀出電路板，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于此電路板，開發(fā)出了一個(gè)程序，它能夠?qū)崿F(xiàn)將絕對(duì)值編碼器的數(shù)據(jù)讀入FPGA，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為角度值，最終驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏實(shí)時(shí)輸出角度值。這使得不需要將編碼器數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)就可以處理轉(zhuǎn)化為角度值，使用更加方便。程序中用到了線性變換思想，可以應(yīng)用到其他程序中。電路板中用到的絕對(duì)值編碼器是BEI-IDEACOD公司的CHO5系列。液晶顯示屏為3.3 V供電的 1602型 LCD，F(xiàn)PGA采用的是 Xilinx的 Spartan-6系列。

圖1 電路板結(jié)構(gòu)圖

1 數(shù)據(jù)讀入及去抖動(dòng)

本文所采用的絕對(duì)值編碼器是BEI-IDEACOD公司的CHO5系列，它采用并行輸出模式，有13 bit數(shù)據(jù)（Data[0]～Data[12]），讀出速度快。由于電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)或機(jī)械設(shè)備的震動(dòng)，會(huì)使編碼器輸出脈沖抖動(dòng)[2]，因此首先對(duì)編碼器脈沖進(jìn)行了去抖動(dòng)處理。下面的程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)讀入，并在去抖動(dòng)后被鎖存在Gray_data中。

2 二進(jìn)制格雷碼轉(zhuǎn)普通格雷碼

上面得到數(shù)據(jù)Gray_data還是格雷碼，因?yàn)榻^對(duì)值編碼器（并行輸出）采用的是格雷碼二進(jìn)制輸出。格雷碼的特點(diǎn)是任意兩個(gè)相鄰位其輸出格雷碼值只有一位不同[3]，這提高了數(shù)據(jù)輸出的穩(wěn)定性。假設(shè)二進(jìn)制格雷碼為Gn-1Gn-2…G2G1G0， 其所對(duì)應(yīng)的普通二進(jìn)制為Bn-1Bn-2…B2B1B0。那么它們最高位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（1）所示，其他各位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（2）所示。

根據(jù)式（1）和式（2），格雷碼二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為普通二進(jìn)制的Verilog HDL代碼如下：

該程序?qū)崿F(xiàn)了由格雷碼二進(jìn)制Gray_data向普通二進(jìn)制Binary_data的轉(zhuǎn)換。

3 將二進(jìn)制轉(zhuǎn)為角度值

絕對(duì)值編碼器的最小精度是由最低位決定的。因?yàn)樗玫慕^對(duì)值器是13 bit數(shù)據(jù)輸出，絕對(duì)值編碼器的最低位為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的角度值如式（3）所示：

因此，絕對(duì)值編碼器的最小精度為min=0.043945312 5°。也就是說二進(jìn)制編碼每加1，度數(shù)就應(yīng)該增加0.0439453125°。為方便在Verilog HDL中進(jìn)行處理，對(duì)這種十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行一個(gè)線性變換，將其最小精度值對(duì)應(yīng)二進(jìn)制min_degree=2′b000000000000011010001100011000010111000101， 其實(shí)就是十進(jìn)制數(shù)439 453 125對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。相對(duì)于編碼器輸出的二進(jìn)制數(shù)，將這個(gè)二進(jìn)制數(shù)稱為編碼二進(jìn)制。這樣就對(duì)每一個(gè)編碼器輸出的13 bit二進(jìn)制進(jìn)行了一個(gè)線性變化，轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的編碼二進(jìn)制Now_degree。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（4）所示，其中的“＜＜”是左移位運(yùn)算符。

為了得出在每一數(shù)據(jù)位（百位、十位、一直到小數(shù)點(diǎn)后10位）上需要輸出什么數(shù)據(jù)，需要求出每個(gè)數(shù)據(jù)位權(quán)值（即次位數(shù)據(jù)為1時(shí)的值）對(duì)應(yīng)的編碼二進(jìn)制，數(shù)據(jù)位權(quán)值對(duì)應(yīng)的編碼二進(jìn)制如表 1所示。其中Decimal10_degree指的是小數(shù)點(diǎn)后第10位權(quán)值所對(duì)應(yīng)的編碼二進(jìn)制，以此類推，Hundred_degree是百位上權(quán)值所對(duì)應(yīng)的編碼二進(jìn)制。

表1 各數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)的編碼二進(jìn)制

通過將Now_degree與各位對(duì)應(yīng)的編碼二進(jìn)制一一比較，使用狀態(tài)機(jī)得出具體實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)位上的數(shù)值：Decimal1Decimal1、Single、Ten、Hundred。 具體 Verilog HDL代碼如下所示：

該程序最終實(shí)現(xiàn)了將絕對(duì)值編碼器輸出的普通二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為角度值。例如，一個(gè)普通二進(jìn)制數(shù)0100100110010先通過式（3）運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為 Now_degree，然后再通過上述代碼就可以被轉(zhuǎn)化為103447265625（依次為從百位上的值到小數(shù)點(diǎn)后第10位上的值）。這樣就得到了角度值 103.447 265 625°。

4 液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)

LCD1602是一個(gè)16行2列的液晶顯示屏，因?yàn)樗枰臄?shù)據(jù)位（算上小數(shù)點(diǎn)）總共14位，所以完全滿足角度值輸出要求。LCD1602內(nèi)置192種字符，顯示字符時(shí)，要先輸入顯示字符地址，即告訴模塊在哪里顯示字符[4]。由于只需要顯示角度，因此只需要知道數(shù)字0～9和小數(shù)點(diǎn)（.）的地址就可以了，如表 2所示。從表 2中可以看出，數(shù)字地址的前4位都是0011，而后4位正好是數(shù)字的二進(jìn)制表示，這給編寫驅(qū)動(dòng)液晶屏的編碼帶來了很大方便，可以直接采用類似下面的語句輸出：

Lcd_data＜={4′b0011，Hundred}；

這樣就將從百位上的值Hundred到小數(shù)點(diǎn)后10位上的值Decimal10依次輸?shù)揭壕э@示屏上了。其中的Lcd_data是接LCD1602的8 bit數(shù)據(jù)位。上面并不是程序中的真正代碼，因?yàn)橐壕э@示屏驅(qū)動(dòng)需要初始化，且需要嚴(yán)格時(shí)序控制，程序較長(zhǎng)，這里就不給出具體代碼了。

表2 數(shù)字0～9和小數(shù)點(diǎn)（.）在LCD1602中的地址

5 仿真結(jié)果

整個(gè)代碼的開發(fā)、編譯、仿真以及下載到電路板都是通過ISE 12.4實(shí)現(xiàn)的，圖2給出了絕對(duì)值編碼器輸入的格雷碼二進(jìn)制是0100100100100時(shí)的仿真結(jié)果，由于時(shí)鐘速率太快，時(shí)鐘已經(jīng)很難看出。

把程序下載到開發(fā)板后，程序運(yùn)行正常，角度值被寫到了液晶顯示屏第一行上，如圖3所示。液晶屏動(dòng)態(tài)刷新顯示，程序中設(shè)計(jì)每隔900 ns讀入一個(gè)字符，讀入16個(gè)字符共需0.014 4 ms。顯示所有的8 192個(gè)狀態(tài)（即旋轉(zhuǎn)一周）最短需要 117.964 8 ms，因此能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。通過檢驗(yàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠獲得穩(wěn)定的角度值輸出。

本文用Verilog HDL設(shè)計(jì)了一種絕對(duì)值編碼器實(shí)時(shí)讀出程序，仿真和在電路板上的測(cè)試表明，該絕對(duì)值編碼器運(yùn)行正常。程序采用模塊化編程，一致性較好。其中，在二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)角度值時(shí)用到了線性變換的思想，解決了在用Verilog HDL處理角度值輸出問題。使編碼器數(shù)據(jù)不傳入計(jì)算機(jī)也可以得到處理，具有較大實(shí)用性。

[1]陳赟，趙興國.基于 PCI總線的單圈絕對(duì)式光電軸角編碼器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [J].光子學(xué)報(bào)，2007，36（3）：421-424.

[2]夏冬梅，孫林.基于CPLD的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路模塊設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2009（5）：156-157，160.

[3]周政，李菊芬.絕對(duì)值編碼器在高爐料車控制中的應(yīng)用[J].南鋼科技與管理，2006（2）：47-48.

[4]于志贛，劉國平，張旭斌.液晶 LCD1602模塊的應(yīng)用[J].機(jī)電技術(shù)，2009（3）：58-59.