数字电位器控制电路的设计与应用.pdf

总第4 4卷 第4 9 3期电测与仪表V o l.4 4N o.4 9 32 0 0 7年 第1期E l e c t r i c a l Me a s u r e me n t&I n s t r u me n t a t i o nJ a n.2 0 0 7数字电位器控制电路的设计与应用*曹文1,刘春梅1,郭友晋2(1.西南科技大学 信息工程学院,四川 绵阳6 2 1 0 1 0;2.中国第二重型机械集团 工艺研究所,四川 德阳6 1 8 0 1 3)摘要:鼠标用控制芯片T P 8 4 5 2将红外光电编码器检测到的脉冲信号进行编码处理,按照PS 2协议传递给控制单元;控制单元根据译码后得到的脉冲数量和方向参数调节数字电位器组合的触点位置,以极低成本实现高分辨率旋转式数字电位器,用来取代传统的机械式多圈电位器。关键词:数字电位器;P S2;分辨率中图分类号:T M 9 3 3.4文献标识码:B文章编号:1 0 0 1-1 3 9 0(2 0 0 7)0 1-0 0 5 5-0 3C A OWe n1,L I UC h u n-m e i1,G U OY o u-j i n2(1.S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,M i a n y a n g 6 2 1 0 1 0,S i c h u a n g,C h i n a;2.C h i n a N a t i o n a l E r z h o n g G r o u pC o.,L t d.,D e y a n g 6 1 8 0 1 3,S i c h u a n g,C h i n a)A b s t r a c t:T P 8 4 5 2,w h i c hi s u s e do nm o u s ec o n t r o l l e r,e n c o d e s t h ep u l s ew h i c hi s d e t e c t e db yi n f r a r e do p t i c a l-e l e c t r i cm o d u l e s.T h ee n c o d e dd a t ai st r a n s f e r r e dt oM C Ua c c o r d i n gt op s2p r o t o c o l.T h eM C Ut r a n s l a t e s t h er e c e i v i n gd a t at ot h ea m o u n t a n dd i r e c t i o no f p u l s e,t h e na d j u s t sd i g i t a l p o t e n t i o m e t e rsp o s i t i o n.I nt h i sw a y,R o t a t i n gD i g i t a l P o t e n t i o m e t e r i sg e t w i t hm u c hl o w e r c o s t,w h i c hi s u s e dt or e p l a c et r a d i t i o n a l m e c h a n i c a l m u l t i-t u r nr o t a-t i o n a l p o t e n t i o m e t e r.K e yw o r d s:d i g i t a l p o t e n t i o m e t e r s;P S2;r e s o l u t i o nT h er e s e a r c ha n dd e s i g no f r o t a t i n gd i g i t a l p o t e n t i o me t e r sw i t hb e t t e r r e s o l u t i o n0引言机械式多圈电位器调节行程宽、阻值分辨率高,但频繁的操作容易造成电位器中间抽头处金属刷与电阻丝之间出现磨损或油泥堆积,引起接触不良、机械噪声增大、控制精度降低等故障。数字电位器(D C P)综合性能优越,但多采用按键点动方式实现阻值调整。与传统的旋转式电位器相比,按键式操作在换向、大范围参数调节时存在着明显不足,且按键一般都需要进行去抖处理;另外,相对较低的分辨率也决定了数字电位器并不能直接取代机械式多圈电位器。结合旋转式编码器的优越性能,并对通用型数字电位器进行分辨率扩展,我们以极低的成本研制出了高分辨率的旋转式数字电位器,来替代传统设备中的机械式多圈电位器进行参数调整与设定,取得了很好的实用效果。1总体设计方案数字电位器旋转式控制电路框图如图1所示。工作原理:红外光电编码器利用红外对管将码盘的旋转角度转换为相应的脉冲信号,鼠标专用控制芯片T P 8 4 5 2对接收到的这2组脉冲和3只按键状态信号进行编码,并根据P S2协议将编码数据传送给主控单元(M C U),M C U对两组旋转信号(包括旋转脉冲个数和旋转方向)与三只按键信号进行解码识别后,控制D C P扩展模块实现电阻阻值的高精度调节。为了保证较大的动态阻值调整范围,同时兼容多圈式机械电位器的操作习惯,旋转式数字电位器转轴*西南科技大学青年基金资助项目(0 6 z x 3 1 0 7)5 5-总第4 4卷 第4 9 3期电测与仪表V o l.4 4N o.4 9 32 0 0 7年 第1期E l e c t r i c a l Me a s u r e me n t&I n s t r u me n t a t i o nJ a n.2 0 0 7在旋转过程中没有设置机械行程极点,当输出阻值达到上、下极限时通过蜂鸣器报警并保持目前参数。转轴旋转过程中的摩擦对电阻阻值输出不会产生影响,从根本上消除了传统机械式电位器旋转过程中抽头与电阻丝之间因摩擦所引发的电气噪声及阻值波动。整个旋转式数字电位器阻值调节分辨率很高,操作寿命与红外组件、D C P的实际寿命相当,调节次数高达2 0 0,0 0 0周以上。2红外光电检测及编码编码器由码盘、红外发射与接收单元、T P 8 4 5 2及按键构成。其中,T P 8 4 5 2是台湾T O P R O公司设计的一款鼠标接口芯片,其内部集成了按钮状态识别和旋转脉冲识别两部分主要功能,典型电路结构如图2所示。图2中的红外传感单元用于检测转轴的转动状态,这里我们直接利用了鼠标内部X、Y方向的2组红外发射、接收单元与配套的旋转码盘。每只红外接收探头内置有2只高灵敏度红外三极管,管芯间隔为码盘格栅宽度的14,在码盘旋转过程中,两只红外三极管产生的脉冲信号在相位上始终保持9 0 的相位差,供T P 8 4 5 2进行滚轮正/负转向的判定。T P 8 4 5 2内部集成了完善的信号采集前端电路,如图3所示。转轴旋转带动码盘切割红外线产生脉冲信号,红外光敏管接收后将其转换为相应的脉冲波形,在T P 8 4 5 2内部完成放大、整形、计数与编码处理,不再需要另外设计复杂的倍频、判向及抗抖动电路 1,既保证了较高的角度(转速)测量精度,同时也使电路结构达到最简。T P 8 4 5 2的三只按键输入内置有去抖和噪声抑制功能,可直接作为系统按键使用,节省了M C U有限的控制端口资源。3数据通信与P S2协议T P 8 4 5 2在系统中主要是将旋转角度以及按键状态信息通过P S2协议传递给M C U,T P 8 4 5 2与M C U的之间的硬件接口非常简单,C L K与M C U的中断输入端相连,D A T A可接到M C U的任意一只IO口。在上电或收到复位(R e s e t)指令F F H后,T P 8 4 5 2进行自检和初始化,向系统发回F A H、A A H、0 0 H响应的同时进行默认参数设置。当接收到M C U的激活指令F 4 H后,T P 8 4 5 2开始监测2只转轴和3只按键的状态。一旦监测到转轴或按键动作引起系统状态改变时,T P 8 4 5 2自动向M C U发送3字节的编码数据包,数据格式参见表1。图1系统总体结构框图图2编码器接口电路图3 T P 8 4 5 2内部结构及功能表1 T P 8 4 5 2的数据格式5 6-总第4 4卷 第4 9 3期电测与仪表V o l.4 4N o.4 9 32 0 0 7年 第1期E l e c t r i c a l Me a s u r e me n t&I n s t r u me n t a t i o nJ a n.2 0 0 7根据P S2协议,C L K信号由T P 8 4 5 2产生 2。当系统发送指令至T P 8 4 5 2时,M C U先将C L K强制拉低1 0 0!s以上,再从D A T A线送出起始位0并释放C L K。T P 8 4 5 2检测到C L K的上升沿及D A T A为低时,连续产生1 1个C L K时钟并发送数据。每帧数据包含起始位(总为0)、数据位(8位)、奇偶校验位、停止位(总为1),每位数据在C L K的下降沿时按位发送。X与Y方向的脉冲数据均存放在对应的位移计数器中。位移计数器是一个9位的二进制补码整数,最高位作为符号位出现在数据包的字节1。计数器值在有旋转脉冲输入时被更新,这些值是自最后一次发送位移数据包给主机后的位移累计量。位移计数器计数范围为-2 5 5 +2 5 5,超过该范围则设置相应的溢出位,同时停止计数器的增减直至复位。当计数器中的数据包成功发送给主机之后,位移计数器复位。由于旋转脉冲输入与按键事件是不定时地发生,如果采用扫描方式将比较浪费系统资源,还可能因无法及时处理数据而发生信息丢失。对此最好采用中断方式接收,每接收到一个字节产生一次中断,收满三个字节后M C U立即进行命令分析并执行相应的功能。4数字电位器分辨率的扩展M C U根据旋转码盘的旋转角度与方向控制相应的电位器触点移动,实现电阻阻值的调节但相对多圈式机械电位器而言,通用型数字电位器的分辨率往往较低,因此需要对数字电位器进行分辨率扩展处理,具体的分辨率扩展电路如图4所示。在图4中,Ra、Rb和Rc均为3 2抽头数字电位器X 9 3 1 5 6 W,这是X I C O R公司推出的一种高性价比、非易失、线性分度数字电位器 3,标称阻值为1 2.5 k。当X 9 3 1 5 6 W的片选端C S被选中后,在时钟脉冲I N C的控制下,电位器中间抽头根据方向控制端VD!的状态确定移动方向及位置,从而改变输出电阻阻值。如果简单地将2只及以上的数字电位器直接串联或并联使用,由于大量的重复阻值的出现,故无法实现分辨率的有效提高,因此必须在电路结构及软件编程上做一些技术上的调整与改进。将Ra和Rb同时并联在输入信号Vi n的两端,两者输出作为Rc的端口电压。通过软件编程设置Ra的滑动触点始终比Rb高出一个位置间隔,同时使两只电位器的触点同步移动,这样就可以将13 2Vi n3 13 2Vi n共3 1种输入信号的电压变化值!Vi n加载至Rc两端。Rc选择相同类型的数字电位器,在其滑动触点上下移动过程中,对应着3 1级的电压变化值,最终在Rc的中间抽头处即可得到3 1 3 2=9 9 2级的线性变化电压。一般地,如果电位器Ra和Rb的抽头数为m,Rc的抽头数为n,则调节过程的最小步进量是Vi nm-#1n。如果将Rc更换为更多抽头数的D C P,则系统分辨率还能够进一步提高。实际工作过程中,M C U首先根据T P 8 4 5 2传送的数据判断触点的移动方向,然后通过准确的参数计算统一调整Ra、Rb和Rc的滑动触点位置。以触点上移控制(阻值增加)为例,具体的控制流程如图5所示。若Rc滑动端上移值与目前滑动端位置值相加后小于3 2(系统采用的红外码盘格栅数为3 6),说明此时对应Rc的滑动端移动,而Ra和Rb的触点位置保持不变;若相加后超过3 2,则Ra和Rb的触点同时上移1个滑动位,Rc的滑动端滑动到运算后得到的实际位置,以平衡电位器的实际调整步数。图4数字电位器分辨率的扩展图5电位器触点上移的控制流程(下转第3 6页)5 7-上,分析了D S T A T C O M暂态和稳态工作过程中的主要特性,在无功指令电流的获取时选择了预设固定频率的方法,不仅检测结果准确,同时省去了锁相环(P L L)模块,节省了装置资源,通过仿真结果可见,D S T A T C O M的补偿速度快、效果明显。D S T A T C O M作为电力系统中无功补偿的主要装置,随着电力电子技术的发展,将发挥越来越重要的作用。参考文献 1 王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿 M.北京:机械工业出版社,2 0 0 6.2 同向前,王超,钟彦儒.基于P WM-V S I结构的D S T A T C O M的实验研究J.电工电能新技术,2 0 0 4,(3):3 1-3 4.3 马晓军,杨波,刘文华,等.S T A T C O M在系统不对称下的开关函数分析法 J .电力系统自动化,2 0 0 0(3):3 2-3 6.4 姜齐容,王强,韩英铎,等.新型静止无功发生器(A S V G)装置的建模及控制J.清华大学学报(自然科学版),1 9 9 7,(7):2 1-2 5.5 魏文辉,刘文华,宋强,等.基于逆系统方法有功无功解耦P WM控制的链式S T A T C O M动态控制策略研究 J .中国电机工程学报,2 0 0 5,(3):2 3-2 7.作者简介:张军利(1 9 7 8-),男,宝鸡文理学院电子电气工程系教师,西安理工大学电气系硕士,研究方向:柔性交流输配电。收稿日期:2 0 0 6-1 1-0 4(杨长江编发)(a)t=1 s时接入点的电压电流(b)t=1.5 s时接入点的电压电流图4负载突变时接入点的电压电流图5双变量协调控制下的Ud c(上接第5 7页)被改造设备中原电位器的阻值为1 0 k,转轴径向均匀布置有1 2个凹槽对旋转角度进行 定 位,每 格 阻 值 调 整 引 起 的 分 压 变 化 量 约 为11 0 0,最大分压误差7.4%。改造时选用海尔鼠标内的2组红外单元与配套的旋转码盘,同时沿用原有的凹槽布局。考虑到码盘格栅数为3 6,因此在软件中设置每3个计数脉冲对应一级电位器阻值的步进,使数字电位器扩展模块输出端的分压变化量被细分到19 9 2,分辨率扩大了近1 0倍,相对误差低于4%,控制精度得到显著提高。X 9 3 1 5 6 W内部集成了非易失性存储器来记录滑动触点的位置,重新上电时能自动调出;但M C U无法直接从D C P内部存储单元获取相关的触点位置数据,这要求在软件编写中额外设置变量来记忆电位器触点的位置参数。系统关机时,有关参数存储至串行E2R O M(X 2 5 0 4 5)中,供下次工作时调用。5结论旋转式高分辨率数字电位器设计方案已成功运用在中国二重集团某电液比例控制平台的设备改造中,直接取代原设备中的机械式多圈电位器进行比例阀的开度控制,在提高控制精度的同时大幅延长了器件的使用寿命。通过手动旋转给定的实际旋转角度被M C U转换为对应的输出脉冲,调整数字电位器滑动端子的整体联动以实现串联电路的精密分压调节;经V-I转换电路后把分压值转换为驱动电流控制比例阀的开度,最终实现流量的精确调节。由于T P 8 4 5 2支持两路信号输入,正好分别用于比例溢流阀与比例流量阀的控制。T P 8 4 5 2与D C P配合,只占用很少的M C U端口,如利用剩余端口扩展数码管对电位器触点位置(或对应参数)进行指示,则可使操作过程更为直观、准确。参考文献 1 陈敏捷.旋转编码器的抗抖动计数电路 J .电子技术应用,2 0 0 1,(1 1).2 T P 8 4 5 2P S/22 D3 K E YM O U S EC O N T R O L L E R Z .T o p r oT e c h n o l o g yI n c,2 0 0 2.3 X 9 3 1 5 6D i g i t a l l y C o n t r o l l e dP o t e n t i o m e t e r(X D C P?)Z .X i c o r I n c,2 0 0 4.作者简介:曹文(1 9 7 4-),男,硕士,讲师,主要从事嵌入式系统的研制与开发。收稿日期:2 0 0 6-1 0-1 5(丘源编发)3 6-总第4 4卷 第4 9 3期电测与仪表V o l.4 4N o.4 9 32 0 0 7年 第1期E l e c t r i c a l Me a s u r e me n t&I n s t r u me n t a t i o nJ a n.2 0 0 7