一种简单实用的测角码盘设计方案

    关键词：测角码盘 编码胶片 状态编码

测控系统中，经常用到采集各种角度参数或对转动机构进行测速的角度传感器。目前，市场上一些具有成熟技术的角度传感器有自增角机、电位器、码盘、霍尔元件和齿轮计数器等。这些产品中，有的精度很高，但价格昂贵，有的价格便宜，但结构复杂，往往难于同时满足结构简单、价格便宜的要求。本文介绍一种光电码盘设计方案，硬件结构非常简单、成本价格十分便宜，而且稳定性好、使用寿命长，又能满足多数情况下的精度要求。

1 工作原理

1.1 原始信号的产生

（1）信号产生原理

图1是码盘产生原始信号的原理示意图。

本码盘用于采集信号的器件是一对发光管和接收管，每个管内有两套收发装置。其功能实现过程为：在发光管和接收管之间放一圆形黑白相间且宽度相同的编码胶片，使三者分别处于相互平行的平面内，将发光管和接收管中心对正，并使编码胶片可以绕其轴心旋转。上电后，发光管会连续不断地发射信号，但由于胶片是黑白相同的，所以当黑色部分正对发光管时，发光管发出的信号将被阻挡，使接收管接收不到信号；而当白色部分正对发光管时，发光管发出的信号将透过胶片射到接收管上。这样，在接收端就得到两路连续变化的正弦波。

（2）方向判别原理

图2为原理示意图。

编码胶片宽度是收发装置距离的两倍，两收发装置位置关系应满足B=(0.7n+0.35)+A，图中n=0。

同理，当胶片向右转动时，A、B信号变化恰好相反。这样，通过A、B信号不同的变化规律实现对方向的判别。

1.2 信号处理

图3是码盘信号处理电路图。

    该电路的主要任务是将产生的原始模拟信号转换为数字信号，即模数转换。由传感器产生的0V为振荡中心的正弦波信号，经跟随器处理后转换为以+2.5V为振荡中心的正弦波信号。通过调节电位器，使其波形达到最佳状态，然后，经过大器将正弦波信号放大10倍。此时，由于放大的拉伸作用，被钳位在0～5V之间的信号已具有非常陡的上升沿和下降沿，最后经施密特触发器整形后，以方波形式输给单片机。其波形关系如图4所示。

1.3 信号控制及传输

图5为控制传输电路图。

    这部分主要通过软件编程实现对信号的处理。硬件结构包括信号处理芯片AT89C2051、信号传输芯片75176和相应的复位电路。其中，复位电路采用由MAX813L芯片组成的看门狗电路。正常工作时，由89C2051为其定时提供触发信号，不产生复位；若发生错误，则在距上次触发信号1.6s后，该电路会自动产生复位信号，对89C2051进行复位。

信号处理电路产生的方波信号A、B由端口Px.m和Px.n输入，然后通过软件比较端口现在时刻和下一时刻的状态变化，实现功能选择。最后，通过端口Px.k控制的串行通信 芯片75176传给主控板，实现信号的控制传输。

2 软件设计

2．1 状态编码

由图4可知，A、B信号的相位相差1/4个周期，所以可得图6所示的状态变换图。

若规定顺序时针方向计数器为加，逆时针方向计数器为减。

这样，通过不同状态值的变换就可对数据进行加操作、减操作和不操作，从而实现对信号的连续处理功能。

2．2 软件编程

软件流程如图7所示。

主要可分为以下几部分。

①上电开始后，软件首先对AT89C2051的内部寄存器和RS422串行口进行初始化。通过对专用寄存器的赋值，设定工作状态和通信 方式，串行通信的波特率为9600b/s。

②初始化完成后，软件将检测端口Px.m和Px.n的状态，程序用两位记录端口相邻状态值，左一位代表前一状态，右一位代表当前状态，然后通过带进位的左循环指令进行状态更新。通过状态值变化，查表2，跳转进入执行程序。

③在执行程序中，可根据不同需要设定上下限进行数据处理。同时，由于处理程序很少，执行时间短，串行通信部分可采用查询方式完成。

3 应用实例

把该设计应用到笔者开发的项目—某型转达训练系统上。采用图3和图5所示的电路设计方案，用该码盘连续采集空中飞行目标的方位角和高低角。

以高低角采集为例，系统指标要求高低角变化范围是-50～1450密位，设计中采用的编码胶片精度是480单位/圈。如文中图1所示，由于编码胶片是圆形的，且一个黑色或一个魄区间均可称为一个单位，所以计算其精度时用每圈包含的黑白区间个数确定，因此用单位/圈。对高低角增减判断主要通过软件编程实现，这段程序如下。

    MAIN1：MOV A，R4 ；读骊盘A、B信号到码盘状态暂存器R4

MOV C，P3.3 ；P3.3为A信号采集端口，

RLCA ；用于A信号新旧状态转换

MOV C，P3.5 ；P3.5为B信号采集端口，

RLCA ；用于B信号新旧状态转换

MOV R4，A

ANL A，#0FH ；计算散转地址

MOV B，#03H

MUL AB

MOV DPTR，#TIM1；TIM1为状态真值表首地址

LJMP @A+DPTR ；散转至真值表

然后，通过查真值表状态值，转入处理程序实现角度的加减。若出现丢码现象，说明单片机采集速度低于码盘转动速度，可根据实际情况更换采集芯片或降低码盘转动速度。同时，通过规定编码胶片每旋转个单位对应的角度值变化1密位（密位是军事用语，一种更精确的划分角度方法，一周为360度，6000密位）和相应的单位转换。在软件中确定了码盘采集量的上下限和单位变化量，从而限定了高低角的变化范围，也达到了采集精度要求。

图8

    通过示波器检测硬件电路单个信号波形，得到图8所示关系。

说明实际应用电路中各级输出信号与原理电路的设计完全相符，软件采集的信号为真实值。

经实践检验，该方案设计的码盘能准确的采集目标参数，使系统对目标进行连续跟踪。

本文介绍的测角码盘设计方案使用的都是容易购买的简单器件，且软件编程任务量少。此外，可通过在旋转轴上安装微动开关实现码盘计数的快慢变化，还可通过采用绝对式编码胶片进一步提高采集精度。