絕對(duì)值編碼器的數(shù)據(jù)采集方式是如何實(shí)現(xiàn)的？

引言

    在跟蹤控制系統(tǒng)中，控制精度總是受各方面因素的影響。通過絕對(duì)值編碼器控制系統(tǒng)功能和性能的實(shí)現(xiàn)受數(shù)據(jù)采集的影響，具體有傳感器采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?、算法處理及輸出控制?個(gè)基本環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生誤差，環(huán)節(jié)之間也有誤差傳遞，從而影響跟蹤控制精度。在這些環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)源是重要的一環(huán)，沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源會(huì)對(duì)相應(yīng)的控制模式帶來影響。

絕對(duì)值編碼器數(shù)據(jù)采集的編碼實(shí)現(xiàn)

    跟蹤控制系統(tǒng)所需采集的數(shù)據(jù)為跟蹤運(yùn)行軌道上的平面坐標(biāo)的變化速度，跟蹤系統(tǒng)通過平面坐標(biāo)的變化特征跟蹤軌道，而跟蹤軌道由兩組電機(jī)進(jìn)行控制，故對(duì)數(shù)據(jù)的采集也就變成了對(duì)兩組電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集。數(shù)據(jù)采集用的傳感器，可以采用由旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的模擬編碼器。旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的是模擬信號(hào)，通過對(duì)主副線圈產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行誤差補(bǔ)償最后形成所需信號(hào)，該信號(hào)還要經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換。很明顯在高精度控制情況下，這種方式產(chǎn)生的誤差大，誤差補(bǔ)償有限。也可以采用基于光電原理的數(shù)字式傳感器，這類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)采用的是Eltra編碼器，為了配合跟蹤控制系統(tǒng)的需求選用了單轉(zhuǎn)絕對(duì)值編碼器。單轉(zhuǎn)絕對(duì)值編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有編碼的圓盤，通過光電轉(zhuǎn)換，把光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，再經(jīng)過信號(hào)處理，形成數(shù)據(jù)信號(hào)的編碼系列。對(duì)單轉(zhuǎn)絕對(duì)值編碼器而言，它的編碼位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的。在一圈里，每個(gè)位置的輸出代碼是唯一的，這樣的好處是：當(dāng)電源斷開時(shí)，絕對(duì)型編碼器并不與實(shí)際位置分離；當(dāng)電源再次接通時(shí)，編碼器的讀數(shù)仍然是當(dāng)前的有效讀數(shù)。編碼器的輸出代碼用于確定具體的位置，編碼采用二進(jìn)制碼便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到實(shí)際位置的讀數(shù)。從內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)看，二進(jìn)制碼是直接從圓形光盤的轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的光電轉(zhuǎn)換脈沖取得的，從一個(gè)編碼變到另一個(gè)編碼時(shí)，如果采用順序二進(jìn)制碼，位置的同步和采集就變得非常困難。
    如4位二進(jìn)制數(shù)由7(0111)變換到8(1000)時(shí)，順序二進(jìn)制碼的每一位都改變了狀態(tài)，要求同一瞬間同時(shí)改變狀態(tài)是不可能的，這使得在改變狀態(tài)的過渡時(shí)刻得到的編碼讀數(shù)有可能完全是錯(cuò)誤的。為了克服這一問題，在數(shù)據(jù)采集的編碼中采用格雷碼，這樣就解決了順序二進(jìn)制碼存在的問題。

絕對(duì)值編碼器的接口

    跟蹤控制系統(tǒng)的中控室與數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不受外界電磁干擾的影響，選用了SSI(Synchronization Serial Interface，同步串行接口)絕對(duì)值編碼器，從數(shù)據(jù)采集點(diǎn)到中控室之間的數(shù)據(jù)傳輸采用RS 422標(biāo)準(zhǔn)。RS 422是全雙工的傳輸方式(同一時(shí)間既可以發(fā)送，又可以接收)，RS 422標(biāo)準(zhǔn)是雙平衡信號(hào)方式，接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，在較遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸過程中，利用信號(hào)差分特點(diǎn)，消除在傳輸過程中外界電磁干擾的影響。但仍然需要處理信號(hào)同步問題，Eltra提供的絕對(duì)值編碼器需要外界提供時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)，以啟動(dòng)單穩(wěn)態(tài)電路，在單穩(wěn)態(tài)電路的控制下實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和發(fā)送。具有SSI接口的絕對(duì)值編碼器所需的時(shí)鐘激勵(lì)信號(hào)如圖1所示。

    由圖可知，要使絕對(duì)值編碼器正常工作，必需要由外部提供時(shí)鐘信號(hào)，將所產(chǎn)生的差分時(shí)鐘信號(hào)用作絕對(duì)值編碼器開始工作所需要的同步時(shí)鐘激勵(lì)信號(hào)，這樣設(shè)計(jì)使編碼器的工作穩(wěn)定性得到了極大地提高。同步問題的解決使采集數(shù)據(jù)的誤差降低，對(duì)跟蹤控制系統(tǒng)整體跟蹤精度的提高起到了決定性的作用。

絕對(duì)值編碼器接口的設(shè)計(jì)及編程

    編碼器要求時(shí)鐘發(fā)生電路提供的時(shí)鐘信號(hào)可以調(diào)整，調(diào)整范圍為100 kHz～1 MHz。根據(jù)邏輯時(shí)序的要求，在靜止條件下，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)處于邏輯高電平上，編碼器內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路不工作。在第一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)下降沿，單穩(wěn)態(tài)電路啟動(dòng)，編碼器內(nèi)部的并行數(shù)據(jù)信號(hào)輸入到P／S(并／串)轉(zhuǎn)換器，并在轉(zhuǎn)換器內(nèi)存儲(chǔ)。在時(shí)鐘信號(hào)上升沿MSB(最高有效位)被傳送至輸出端的數(shù)據(jù)線上。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)再次至下降沿，接口從數(shù)據(jù)線上得到MSB數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，單穩(wěn)態(tài)電路再次重新啟動(dòng)。每次當(dāng)順序時(shí)鐘脈沖信號(hào)在上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)連續(xù)傳送至輸出數(shù)據(jù)線上，同時(shí)需要控制信號(hào)處于下降沿。在順序時(shí)鐘脈沖結(jié)束時(shí)，外部控制信號(hào)時(shí)鐘需要獲得LSB(最低有效位)的數(shù)據(jù)，當(dāng)順序時(shí)鐘脈沖被中斷，單穩(wěn)態(tài)電路不再啟動(dòng)。一旦TM(單位定時(shí)電路時(shí)間信號(hào))消失，數(shù)據(jù)線路回到邏輯高電平上，編碼器內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路自動(dòng)停止工作。信號(hào)波形示意如圖2所示。

    為了產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，選用SPCE061A芯片作為處理器，該芯片為16位芯片，帶32位I／O，具有串行輸出接口，雙16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    以SPCE061A芯片為處理器，設(shè)計(jì)一個(gè)最小系統(tǒng)，如圖4所示。

    該最小系統(tǒng)構(gòu)成的電路簡單，穩(wěn)定性好，滿足了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。

絕對(duì)值編碼器數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸

    對(duì)本系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)信號(hào)是二進(jìn)制編碼，在數(shù)據(jù)采集過程中沒有對(duì)數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行封裝，因此數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸是直接通過物理鏈路層進(jìn)行。由于被控對(duì)象離中控室較遠(yuǎn)，因此數(shù)據(jù)采集后需要傳輸較長的距離，如采用一般的RS 232接口的非平衡傳輸方式，即所謂單端通信方式，其收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地，典型的RS 232信號(hào)在正負(fù)電平之間變化，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5～+15 V，負(fù)電平在-5～-15 V。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，傳輸線上為TTL電平，從開始傳送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，傳輸線上的電平從TTL電平到RS 232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12 v與-3～-12 V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2～3 V，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約為15 m，最高速率為20 Kb／s。RS 232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3～7 kΩ，所以RS 232僅適合本地設(shè)備之間的通信，對(duì)距離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸顯然存在問題。
    RS 422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，由于接收器采用高輸入阻抗，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比RS 232的驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。RS 422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式或硬件方式(一對(duì)單獨(dú)的雙絞線)實(shí)現(xiàn)。RS 422的最大傳輸距離約為1 000 m，最大傳輸速率為10 Mb／s，其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100 Kb／s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100 m長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1 Mb／s。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采樣率為10 Kb／s，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x大約為80 m，可見在本系統(tǒng)中采用RS 422完全可以滿足要求。

轉(zhuǎn)換器

    數(shù)據(jù)采集后需要傳送到中控室的主計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，在中控室的計(jì)算機(jī)端，數(shù)據(jù)信號(hào)是通過串口以RS 232標(biāo)準(zhǔn)接入的。而數(shù)據(jù)源端輸出的信號(hào)是RS 422標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)編碼是格雷碼，不能直接與主計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集還需要由激勵(lì)信號(hào)啟動(dòng)。由此設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，控制數(shù)據(jù)采樣的采樣率進(jìn)行采樣。轉(zhuǎn)換器也作為絕對(duì)值編碼器輸出數(shù)據(jù)的接收器，轉(zhuǎn)換器接收數(shù)據(jù)以后，將格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，再將二進(jìn)制代碼進(jìn)行處理，直接轉(zhuǎn)換為控制轉(zhuǎn)速的編碼信號(hào)，這樣就大大減輕了主計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理的工作。轉(zhuǎn)換器將處理后的轉(zhuǎn)速信號(hào)以RS 232標(biāo)準(zhǔn)與主計(jì)算機(jī)的串口之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由于轉(zhuǎn)換器的位置也在中控室，距離主計(jì)算機(jī)很近，故采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)完全能夠滿足要求，根據(jù)數(shù)據(jù)采集的采樣率，利用串口通信的波特率也能滿足系統(tǒng)需要。
    在本系統(tǒng)中，絕對(duì)值編碼器采用的是成品，保證了數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確和穩(wěn)定，主計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)，其穩(wěn)定性和可靠性也能滿足要求。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器為了提供同步激勵(lì)和接收數(shù)據(jù)以及標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，只能自己分析設(shè)計(jì)，對(duì)底層物理鏈路層而言，需要進(jìn)行充分的考慮，本文不對(duì)轉(zhuǎn)換器的分析和設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

結(jié)語

    在數(shù)據(jù)采集方面，就跟蹤控制系統(tǒng)而言，采用旋轉(zhuǎn)變壓器，其價(jià)格相對(duì)較低，但是其采集的一次信號(hào)為模擬量，要經(jīng)過中間的A／D轉(zhuǎn)換和二次誤差調(diào)整與精度補(bǔ)償，給數(shù)據(jù)源的精度帶來一定影響。使用絕對(duì)值編碼器，由于輸出的是數(shù)字信號(hào)(光電轉(zhuǎn)換在內(nèi)部完成)，減少了轉(zhuǎn)換與補(bǔ)償帶來的誤差影響，提高了數(shù)據(jù)精度，精確的數(shù)據(jù)源對(duì)控制精度起到了絕定性的作用。盡管數(shù)據(jù)通信已經(jīng)較為成熟，但選擇適當(dāng)?shù)姆绞綔p小數(shù)據(jù)傳輸過程帶來的影響也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，這在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該得到相應(yīng)的重視。就本文提出設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型，在硬件系統(tǒng)配置上進(jìn)行了充分的考慮，所采集的數(shù)據(jù)與跟蹤算法的配合，使跟蹤控制的精度得到了保證，在實(shí)際運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)的結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，實(shí)際運(yùn)行控制精度比設(shè)計(jì)預(yù)期的精度要高。

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