基于MSP430F149单片机的光电编码器位置检测系统设计.doc

基于MSP430F149单片机的光电编码器位置检测系统设计 更新于2011-10-18 05:09:57 文章出处:电子工程世界
德州仪器 MSP430F149 光电编码器 位置检测
        在实际的工业位置控制领域中，为了提高控制精度，准确地对控制对象进行检测是十分重要的。传统的机械测量位移装置已远远不能满足现代生产的需要，而数字式传感器光电编码器,能将角位移量转换为与之对应的电脉冲输出, 主要用于机械位置和旋转速度的检测，具有精度高，体积小等特点，因此决定采用光电编码器进行位移检测。
        美国TI公司推出的MSP430系列16位单片机，具有低功耗，运行速度快等优点，正日益得到广泛的应用。本文将高精度MSP430单片机应用在系统中，作为整个系统的控制器，整个系统结构简单，抗干扰性强,满足了钢铁厂的生产要求。
1、光电编码器原理
        光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，其基本原理就是在特制的码盘上按一定规律编排光栅图案，将这些图案用光电头读取，转变为高低有序排列的电平信号。光电编码器输出信号为A , B , Z 3 个信号,其中A , B 为相位差90°的方波信号, Z 为过零脉冲信号。如图1所示，光电编码器每旋转一周,A、B 相输出同样数量的脉冲, Z相输出一个脉冲，脉冲的个数和电机旋转角度，电机的运行距离成正比关系，因此通过计算脉冲数就能计算出电机在实际运行中所运行的距离。

        A相、B相都是光电编码器产生的，这两个信号的前沿和后沿都对应着光电码盘的1/4节距的信息。因此在实际中为了提高光电编码器的定位精度通常采用四倍频 方法进行处理。鉴相就是通过分析图1的A相，B相信号，得出电机的旋转方向。如果A相脉冲超前B相90，说明电机正转，如果B相脉冲超前A相脉冲90，说 明电机反转。本系统设计了一种四倍频电路，其原理图如图2所示，相应的时序图如图3所示。由时序图3可以看出，A和B信号经四倍频电路后，输出信号为 XA，XB两个信号，在同一时刻，XA，XB只有一个是脉冲信号，另一个是高电平。因此，将XA，XB两个信号连接到单片机相应的端口上，对这两个信号分 别进行判断、计数和计算，就可以得出相应的电机转向和位移量。

2、系统功能
        系统框图见图4。整个系统主要由差动隔离整形，倍频电路，鉴相计数模块，主控芯片，通讯模块，数显模块组成。光电编码器选用SIEMENS公司的 1XP8001-1型号，输出电压为5V。从光电码盘输出的A，B，A－,B－经过差动隔离整形模块后能减少现场对信号产生的干扰，尤其是共模干扰，处理 后的信号经四倍频电路后连到主控芯片，对脉冲进行计数，处理，计算，得到被控对象的位移结果。位移结果一方面送数显表显示，另一方面可通过串口将位移结果 送到上位机，便于在上位机中进行统计，打印，综合分析。

3、系统硬件组成
3.1 、主控芯片及外围电路
        主控芯片我们采用MSP430F149单片机，它具有处理能力强，运行速度快，功耗低等特点； 整个系统采用3.3V供电，本设计电源部分采用TI公司的TPS76033芯片实现，该芯片能很好的满足系统的要求，另外TPS76033芯片的封装很小，又能节约PCB板面积。
        复位电路采用MAX809STR芯片，复位电路可以采用R-C复位电路，但是使用复位芯要比使用R-C复位电路的可靠性高，因此我们就采用MAX809STR芯片来实现系统的复位。

        数显电路采用LED显示方式，MSP430具有丰富的I/O口资源，采用并行方式与LED连接非常方便，这种方式既能满足现场的要求，又可以降低系统成 本。在单片机与数码显示连接时选择P4.0～P4.7引脚用来输出显示数据，P2.1,P2.2,P2.3，P2.4引脚用来控制数码管的选通状态。
3.2 、16位计数器
        本次设计采用MSP430F149提供的计数器对倍频后的XA,XB信号进行计数。MSP430F149提供了两个16位的计数器，分别是 Timer_A,Timer_B，这是两个用途非常广泛的16位计数器，在设计中使用Timer_A计数器进行计数，将XA和XB两个信号相或后与 Timer_A相连，即XA和XB相或后与P1.0引脚相连。无论电机正转还是反转，计数器引脚上都有脉冲信号，都可进行计数。为了判断电机的旋转，使用 计数器的捕获模块对XA和XB信号进行方向判断，Timer_A计数器中提供有3个捕获模块，均可以满足系统的需要。编码器四倍频电路输出的XA信号与捕 获模块1相连，XB与捕获模块2相连，即XA信号同时与P1.2引脚相连，XB信号同时与P1.3引脚相连。捕获模块捕获XA和XB信号的上升沿，通过程 序的判断就可以判断出电机的旋转方向。
3.3、 串行模块
        MSP430单片机使用RS-485协议与上位机进行通讯， RS-485改进了RS-232的缺点，传输速率可达到10MB/S,传输距离达1200米。由于MSP430输出的是TTL电平，而RS-485串口卡 是485电平，因此需进行电平转换。本系统采用MAX485芯片实现TTL电平与485电平之间的转换。硬件连接使用USART0串口，即连接时使用 P3.4,P3.5引脚与MAX485的相应引脚相连。
4、系统软件实现
        系统采用C语言进行程序设计，大大提高了开发调试的工作效率。整个系统程序包括主程序，鉴相计数程序，显示子程序，串行通讯程序几个模块组成。程序流程图见图５。
        主程序主要包括系统的初始化：对串口，计数器等硬件的初始化：计数值的读取、处理、计算：调用显示子程序，用于数据的显示。

        鉴相计数程序主要用于电机方向的判断和计数脉冲值的处理。系统中电机方向的判断是靠计数器中的捕获模块捕获XA,XB信号来实现的。在程序中，设计一个寄 存器保存电机的方向，当电机正转时，捕获模块捕获XA信号有效，在中断服务程序中将电机方向设为正转标志。反之亦然，当电机反转时，捕获XB有效，将电机 方向设为反转标志。在主程序中只需根据寄存器的值，就可知道电机的旋转方向。为了防止计数器中正转，反转的计数值发生混乱，每次捕获发生时，在中断服务程 序中都将计数器清零，重新计数，保证了电机换向后数据的准确性。
        串行通讯模块用于实现上位PC机与单片机之间的数据传送。单片机可根据上位机的需要，将处理后的计数值上传给上位机，用于统计，打印等。系统采用中断方式 进行数据传递，在接受中断服务程序中得到接受的上位机指令后，单片机就可将计数脉冲值，电机旋转方向等数据通过发送端口向上位机发送。串行通讯采用中断方 式可大大节省CPU资源，从而保证了系统的高速度，高可靠性。
5、本文创新点
        本文充分利用MSP430单片机软硬件的优点，简化了外围模块的设计，大大提升了系统的可靠性和稳定性。本设计系统在实际自动控制领域的运行中，系统工作稳定，收到了良好的效果，具有很好的实用价值。