编码器四倍频电路的单片机高速算法设计

编码器四倍频电路的单片机高速算法设计Fourfold Frequency Circuit Design of Encoder Based on MCU with Speedy Arithmetic 收稿日期：2007-10-16 作者简介：王子博（1986-）。男，辽宁大连人，大连理工大学电子信息工程学院学生【摘要】文章针对增量式光电编码器输出信号的倍频鉴向处理问题，介绍了一种用单片机设计的 编码器四 倍额电路。通过分析软件倍频鉴向的原理，详细介绍了一种新颖的高速处理算法。该设 计不仅电路简单，响应速度也比一般单片机设计方案大为提高。【关键词】编码器；四倍频；单片机；高速算法【引言】增量式光电编码器是一种高精度的角位置测量传感器，具有体积小、精度高、响应速度快、 性能稳定等优点，被广泛应用于数控机床、工业机器人等伺服控制系统中。对编码器输出信号的 处理，是测控系统要解决的常见问题。编码器通常有A相、B相、Z信号等三路输出信号。Z信号是一个代表零位的脉冲信号，可 用于调零、对位，一般不须作额外处理。 A、 B 相信号则包含了被测对象的旋转方向、旋转角度 等信息，通常要经过倍频鉴向处理之后再进行有效利用。编码器的A、B相输出信号如图1所示。A、B相信号是相位相差90的正交方波脉冲串，每 个脉冲代表被测对象旋转了一定的角度，A、B之间的相位关系则反映了被测对象的旋转方向。 当A相超前B相，转动方向为正转，当B相超前A相，则为反转。对A、B相信号典型的处理是: 将信号四倍频，并分离出正转脉冲P+与反转脉冲P-,再进行计数，最后得到被测对象的位置。 倍频鉴向有多种方法，并且各具特色。概括来讲，用数字电路方案的，速度高，但硬件复杂；用 单片机方案的，硬件较简单，但响应速度较低。本文提出的四倍频单片机设计方案，采用了独特 的高速算法，结合功能先进速度快的 AVR 系列的单片机，具有硬件电路简单，并且响应速度高的 双重优点。图1编码器的A、B相输出信号及倍频鉴向后的正、反转脉冲输出【倍频与鉴向原理】如图1所示，编码器正转时，AB相电平状态的变化顺序为：00-10-11-01-00；编码 器反转时，变化顺序为：00-01-11-10-00。用单片机编程实现倍频与鉴向时，一般算法是: 设定一个寄存器存放上次电平状态，一个寄存器存放本次电平状态，将两个寄存器进行比较，即 可判断是正转还是反转。正转时输出正向脉冲，或者进行加计数；反转时，输出反向脉冲，或者 进行减计数。再将本次电平状态存到上次电平状态寄存器中，为下次处理作准备。按此算法设计 的程序，由于判断比较指令较多，运行时间较长，因而导致总体的响应速度较低。为了克服这一 缺点，这里采用了利用先后两个电平状态组成一个地址向量，进行程序散转的方法。这就去掉了 繁琐的判断与比较，使运行时间大大缩短，从而使响应速度得到了提高。组成散转地址的方法是：将所有的前一个AB电平状态作为散转地址的高2位，所有后一个 AB电平状态作为散转地址的低2位，合在一起共4位，排列组合共有16种状态，或者说有16 个地址。每个地址都对应一种输出处理操作，见表1。其中 00-11， 01-10， 10-01， 11-00这 4种状态属于异常状态，是不应该出现的，程序处理时将其忽略。表1 AB相电平状态组合表前一个AB相电平状态（记为A0B0）000000000101后一个AB相电平状态（记为AiBi）000110110001组成散转地址向量（二/十六进制）处理内容0000000100100011010001010x000x010x020x030x040x05状态无变化，不处理输出反转脉冲P- 输出正转脉冲P+ 异常状态，不处理010110101010111111111011000110110001101101100111100010010x060x070x080x091010 0x0A1011 0x0B1100 0x0C11010x0D11100x0E1111 0x0F输出正转脉冲P+状态无变化，不处理 异常状态，不处理输出反转脉冲P- 输出反转脉冲P-异常状态，不处理状态无变化，不处理输出正转脉冲P+异常状态，不处理输出正转脉冲P+ 输出反转脉冲P-状态无变化，不处理除了要有好的算法之外，指令还要有一定技巧，才能使程序更精简。程序流程见图 2。图 2 中， 16 个散转目标地址的处理程序，都按表1 进行。虽然限于篇幅仅画出了 3 个，但不 影响理解。每个目标地址的处理内容虽然都要占用一段程序，指令的总数比较多，但程序执行速 度却加快很多。这种算法，实际上是采用了用程序容量来换取执行速度的思路。用AVR系列单片 机汇编语言。从头到尾任何一个流程（包括子程序返回指令）最长只需要12 条汇编指令，执行时 间不到2us，可见其处理速度是相当快的。【典型设计方案】对于检测控制一体的应用场合，例如用ATmega32等单片机实现位置检测，并完成定位输出 功能的，可以采用外部中断的方案。AB两相信号可分别接到单片机的两个外部中断输入口 INT0 与INT1上。中断方式设置为电平变化触发中断。即只要AB相电平状态发生变化，就会触发中 断。在中断程序中，采用上述高速算法进行处理。与上述不同的是，最后不需要输出正反转脉冲， 而是正转时位置量加1,反转时位置量减1。图2高速算法子程序流程图采用AVR系列8引脚的单片机的ATtiny13.结合上述高速算法，可构成硬件电路非常简单神出冲出 W特P-IE民的独立四倍频鉴向电路，见图3。图中的CD40106为施密特触发器，对信号进行整形处理，使整 个电路更可靠。如果省略，电路将更简单。图 3 ATtiny13 接线图由于ATtiny13单片机仅用于倍频鉴向，没有别的任务，因此可采用反复循环扫描AB相电平 状态的方式。ATtiny13的典型主频是9.6MHz,采用上述高速算法，利用汇编语言编程，完成一 次AB相电平状态扫描处理，只需不到2us的时间，相当于500KHZ的响应速度。而ATtiny13单 片机的价格约为5元，可见这是一个电路简单、成本低廉的设计方案。而ATtiny13本身是一款高 性能、高可靠的单片机，并且内含看门狗电路。 经实用验证，该电路工作可靠，性能优良，是一 款不可多得的优秀设计。【结束语】本文提出的高速算法，对任何一款单片机都是有效的。由于指令少速度快，即使对运行速度较慢的 51 系列单片机，也可以取得较好的效果。对采用单片机进行四倍频鉴向的设计，具有很好 的参考价值。参考文献】1许理、赵英俊.基于单片机的增量式光电编码嚣接口的设计(J).机械与电子,2006(12) :9-11. 2韩壮志、李伟、王田苗等.光电码盘四倍频分析(J).电子技术应用，2000(12):38-40.3王立锦、刘亚东、焦让等.磁旋转编码器四倍频电路分析与集成化设计J).电子器件， 2005(6):358-360.4Atmel Corporation. ATtiny13 数据手册(S). 1997.