北京科技大学数理学院 尹晓龙



基于FPGA的编码器的研制

北京科技大学数理学院 尹晓龙

【摘要】现代技术最主要的支柱为传感器技术、计算机技术以及通信技术，在信息社会里面，传感器技术属于重要技术基础，而传感器种类、质量以及数量和技术水平将会对信息技术系统所具有的功能以及质量产生直接的影响。编码器主要采用的就是光电技术，用来进行一种非接触角度计量，编码器同时也是一种仪器仪表，其工作领域主要是位置计量领域，它完美结合了这三种信息技术，所以在实际工作中的使用范围也在不断扩大。本课题的研究内容主要是为了设计实现高精度单圈绝对位置角度传感器，通过将FPGA相关技术实现编码器的数据采集与处理，并研究其与用相关单片机等实现的编码器之间的性能的优劣，设计出一个在时间上更有效率，并且更精确的角度编码器。

【关键词】FPGA；编码器；研制

FPGA是一种现场可编程门阵列，在专门集成电力领域里面，其是半定制电路，不仅可以弥补定制电力具有的不足之处，还可以弥补可编程器所具有的电路数有效缺点[1]。而编码器的具体工作原理和作用是把旋转位转换为数字脉冲信号，而这些脉冲可以有效控制角移位，当编码器和相应的齿轮条或者是螺旋丝杠相互结合的时候，就能够准确地二两直线位移，其属于一种旋转式传感器。依据工作原理，可以将编码器分成增量式与绝对式两种，本文主要研制的是一种高精度单圈绝对位置角度传感器，将FPGA相关技术应用到编码器数据采集以及处理中，可以有效解决传统应用单片机的角度传感器实现的角度测量所具有的不足之处。

1 基于FPGA编码器数据的采集以及处理

多通道模拟量通过多路开关选择之后，被AD转换器转换为相应的数字量，然后输送到FPCA里面，输进去的数据被处理之后就会传输到相应的存储器存储起来，基于FPCA的这种单片系统是数据采集以及数据处理的控制核心部分，这个控制系统可以内换分成多通道采集控制模块以及数据处理模块和存储控制模块。多通道采集控制模块形成A/D采样时序以及通道来对控制逻辑信号进行有效的控制，而数据处理模块可以FFT变换相应的采样数据，存储控制模块会形成存储器里面的控制逻辑信号。由于FPGA本身具有非常丰富的I/O以及处理资源，所以可以同时检修数据采集控制、存储控制以及数据处理，有效提高系统数据处理能力[2]。

编码器处理数据的具体过程为：先通过角度传感器芯片MLX90316 的SPI接口与FPGA连接，然后通过FPGA处理数据，最后将数据输出，输出时采用A,B,Z三波形输出，将360度分成1024份，如果z轴判断是否为0的输出，当角度小于360/1024度时，Z轴高电平输出，否则低电平。当角度大于360/1024度时，A轴为高低电平交替输出，每一个高或低电平表示一份角度即360/1034度，例如当角度为（360/1024）*4时输出波形为：高，低，高，低。当角度为360度时，就是一共有1024个电平，高，低各512个。 B轴和A轴输出波形一样，但是比A轴延迟1/4个周期。

2 高精度单圈绝对位置角度传感器所具有的优缺点

2.1 高精度单圈绝对位置角度传感器所具有的优点

传统的运用单片机的角度传感器实现的角度测量等功能对短时间的数据不敏感，所以在运用时对数据的采集就不够准确与全面，如果研制出高精度单圈绝对位置角度传感器，就会使角度编码器的工作效率更高，同时也更加准确。高精度单圈绝对位置角传感器也属于单圈绝对式编码器，从上述编码器处理数据的整个过程可知，在其中应用FPGA可以有效提高测量结果的准确度。

高精度单圈绝对位置角度传感器并没有采用传统的那种莫尔条纹测量法，而是采用的另一种新型编码方式，只用在光栅盘上面刻画出一圈码道，不仅可以显著减小码盘整个体积，同时也为刻划工艺带来了很大的方便[3]。除此之外，仅仅需要一块码盘就能够得到所需光学测量信号，让编码器的装调过程变得非常容易。同时，通过应用SSPA线阵列来获得相应的广电信号，可以使后置处理电路更加简化。依据光栅码道这种比较特殊的刻画法，在利用合理有效的算法，就能够将码盘上面每个位置的绝对数值准确地读出来。所以，这种高精度单圈绝对位置角度传

感器在满足具体精度要求的条件下，还变得更加小巧轻便、易于使用以及更加稳定可靠。

2.2 高精度单圈绝对位置角度传感器所具有的缺点

高精度单圈绝对位置角度传感器工作原理并不复杂，就是通过黑白条纹来分割编码器码盘圆周，从而对角度进行测量，实现这种编码器必须涉及到系统算法、图像传感器以及图像处理和光电转换等方面。虽然其工作原理简单，可是其实现会受到传感器中的象素空间分布限制以及被其所具有的不均匀性所影响，同时模数转换过程中产生的误差，对其数据处理算法提出了比较高的要求。

3 结束语

总的来说，高精度单圈绝对位置角度传感器的优点可以有效解决实际测量工作中存在的问题，而其所具有的缺点可以通过优化数据处理算法来解决。本课题的目标如果可以顺利完成，那么就可以将这种基于FPGA的高精度单圈绝对位置角度传感器设计出来，使角度编码器的测量更加高效，同时提高测量结果准确度，对位置计量领域具有非常重大的实际意义。本文首先介绍了FPGA和编码器，然后引出本课题所研究的高精度单圈绝对位置角度传感器，对其信息收集以及处理进行分析，最后比较高精度单圈绝对位置角度传感器和用相关单片机等实现的编码器所具有的优缺点，以此来表明研制出高精度单圈绝对位置角度传感器的重要作用和意义。

参考文献

[1]冯英翘,万秋华,宋超等.光电编码器精码信号采集与传输系统设计[J].光电子技术,2013,33(2):121-125.

[2]袁庆丹,叶树林.FPGA在步进电机单步进给特性测试系统中的应用[J].仪表技术与传感器,2011,01(8):78-80.

[3]宛世源,宋宝,唐小琦等.基于FPGA的工业现场总线侦听器的设计与实现[J].组合机床与自动化加工技术,2014,16(1): 93-95.

尹晓龙（1989-），男，硕士，研究方向：基于FPGA的编码器研制。

作者简介：