摘 要：本文提出了采用Xilinx公司生產(chǎn)的CPLD來對多通道旋轉(zhuǎn)編碼器進行數(shù)據(jù)采集的方法，著重介紹了系統(tǒng)的軟硬件設計和驅(qū)動程序開發(fā)，以及實際應用情況，得出了用CPLD技術(shù)為多通道編碼器進行數(shù)據(jù)采集這樣一種切實可行的方法。

    關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器 CPLD 數(shù)據(jù)采集

    概述

    旋轉(zhuǎn)編碼器是一種測量旋轉(zhuǎn)角度的測量器件，通常采用兩個相位差90度的方波編碼方式，其旋轉(zhuǎn)方向由兩個波形的相位差決定。當輸出波形A超前于輸出波形B如圖1，則可認為是正方向旋轉(zhuǎn)，反之，若輸出波形A滯后于輸出波形B如圖2，則可認為是反方向旋轉(zhuǎn)，當旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化時，其輸出信號產(chǎn)生鏡像翻轉(zhuǎn)如圖3。 
                
    編碼器的精度由旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生方波數(shù)決定，當旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生2000個方波時，每一個方波周期表示為360°/2000。但為了提高旋轉(zhuǎn)編碼器的測量精度，系統(tǒng)將A、B兩相的各個沿進行了計數(shù)，從而將測量精度提高了四倍，相當于最小的測量角度為360°/8000。

    旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛應用于旋轉(zhuǎn)角度的測量，以及可以將各種參數(shù)角度化的參數(shù)的測量，通過與各種機械結(jié)構(gòu)的組合，可以測量多種物體的邊緣形狀、各種機械裝置的結(jié)構(gòu)偏差等。

    本論文主要根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼的輸出信號特點，提出了采用CPLD技術(shù)，來完成6個旋轉(zhuǎn)編碼器信號測量，采用CPLD技術(shù)，設計適合于PC機的數(shù)據(jù)采集卡的硬件以及軟件，并給出了實際調(diào)試及應用結(jié)果。

    1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設計

    1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)編碼器信號接口、光電隔離和信號校正、編碼計數(shù)以及PC接口組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。旋轉(zhuǎn)編碼器信號接口將旋轉(zhuǎn)編碼器的信號通過一定的接插件引入到采集卡中，隨后通過光電隔離與信號校正，送入到由CPLD器件實現(xiàn)的編碼器計數(shù)。宿主機通過ISA總線來對編碼器的計數(shù)進行控制與讀取。 
                     
    1.2光電隔離和信號校正

    旋轉(zhuǎn)編碼器的控制電源可以在較大范圍內(nèi)變化使用，為了確保系統(tǒng)的安全可靠，必須進行光電隔離。

    由于旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號頻率達100kHz，所以應選用高速的光電隔離器件，如具有1M數(shù)據(jù)速率的4N135/136，或10M數(shù)據(jù)速率的4N137等。同時為了防止噪聲引起的信號抖動，應采用斯密特觸發(fā)器進行抗抖和信號校正。

    1.3編碼器計數(shù)

    編碼器計數(shù)由CPLD器件來完成。CPLD是復雜可編程邏輯器件的簡稱。系統(tǒng)選用Xilinx生產(chǎn)的XC9500系列CPLD，它是一種FLASH編程型的可編程邏輯器件。該產(chǎn)品采用先進的FastFLASH技術(shù)，該技術(shù)采用一個雙層的多晶硅、兩層金屬技術(shù)，可提供高達10000次以上的編程/擦寫壽命周期，和傳統(tǒng)存儲技術(shù)EPROM和E2PROM相比有著明顯的優(yōu)勢。采用EPROM存儲技術(shù)雖可提供優(yōu)良存儲器單元且功耗較低，但它不可電擦除；采用E2PROM技術(shù)雖可電擦除，但需要較大的存儲器。而CPLD的FastFLASH技術(shù)是對EPROM技術(shù)的電擦除擴展。

    和普通的可編程邏輯器件相比，CPLD具有以下優(yōu)點：操作靈活、使用方便；高性能的邏輯能力；存儲元胞密度高；可靠性高；開發(fā)迅速；經(jīng)久耐用；能實行電擦除；能為器件提供快速編程；采用ISP(系統(tǒng)同編程)技術(shù)。

    XC9500系列中可供選用的片子有多種，從旋轉(zhuǎn)編碼器的測量、片子宏單元的多少以及調(diào)試的方便，系統(tǒng)最終選用了XC95108PC84。

    XC95108的機械特性和電氣特性如下：宏單元數(shù)為108個；最大端口數(shù)為108個；引腳至引腳延時7.5ns；系統(tǒng)頻率為83.3MHz；支持單個OE(輸出使能)控制；支持JTAG(IEEE邊界掃描標準1149.1)協(xié)議。特別值得一提的是，XC95108采用了ISP技術(shù)。因此，對器件進行編程不再需要硬件編程器。只要一根下載電纜通過下載軟件與元件的編程接口連接即可實現(xiàn)。并且，無論產(chǎn)品處在設計或制造的哪個環(huán)節(jié)，還是產(chǎn)品已提交給用戶以后，都可以改寫器件的邏輯功能，也就是可以通過軟件對硬件進行升級。

    六個通道的旋轉(zhuǎn)編碼器計數(shù)由兩個XC95108完成，每個XC95108完成三個編碼器通道的編碼計數(shù)以及相關(guān)控制命令的接受和計數(shù)值的輸出，其大致功能可由圖5表示。 
                
    

    1.4PC機接口

    六個通道的編碼器信號通過光電隔離和信號較正送入兩片XC95108后，XC95108分別對三個通道的計數(shù)信號進行正反相計數(shù)，其計數(shù)結(jié)果分別存放在不同的寄存器中，供宿主機PC讀取。根據(jù)設計的實際需要，PC機接口采用ISA總線。

    PC機接口要完成對ISA總線的地址譯碼，數(shù)據(jù)的緩沖和數(shù)據(jù)的雙向傳送(控制命令發(fā)送和編碼器計數(shù)值的讀取)。所有的這些功能同樣由一片CPLD器件(同樣選擇XC95108)完成，其主要功能可由圖6表示。