基于CPLD多通道編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出了采用Xilinx公司生產(chǎn)的CPLD來(lái)對(duì)多通道旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法，著重介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，以及實(shí)際應(yīng)用情況，得出了用CPLD技術(shù)為多通道編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集這樣一種切實(shí)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(cè)量旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量器件，通常采用兩個(gè)相位差90度的方波編碼方式，其旋轉(zhuǎn)方向由兩個(gè)波形的相位差決定。當(dāng)輸出波形A超前于輸出波形B如圖1，則可認(rèn)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(rèn)為是反方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化時(shí)，其輸出信號(hào)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(dāng)旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生2000個(gè)方波時(shí)，每一個(gè)方波周期表示為360°/2000。但為了提高旋轉(zhuǎn)編碼器的測(cè)量精度，系統(tǒng)將A、B兩相的各個(gè)沿進(jìn)行了計(jì)數(shù)，從而將測(cè)量精度提高了四倍，相當(dāng)于最小的測(cè)量角度為360°/8000。

旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，以及可以將各種參數(shù)角度化的參數(shù)的測(cè)量，通過(guò)與各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合，可以測(cè)量多種物體的邊緣形狀、各種機(jī)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(hào)特點(diǎn)，提出了采用CPLD技術(shù)，來(lái)完成6個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)測(cè)量，采用CPLD技術(shù)，設(shè)計(jì)適合于PC機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡的硬件以及軟件，并給出了實(shí)際調(diào)試及應(yīng)用結(jié)果。

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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(hào)接口、光電隔離和信號(hào)校正、編碼計(jì)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(hào)接口將旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)通過(guò)一定的接插件引入到采集卡中，隨后通過(guò)光電隔離與信號(hào)校正，送入到由CPLD器件實(shí)現(xiàn)的編碼器計(jì)數(shù)。宿主機(jī)通過(guò)ISA總線來(lái)對(duì)編碼器的計(jì)數(shù)進(jìn)行控制與讀取。

1.2光電隔離和信號(hào)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(jìn)行光電隔離。

由于旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)頻率達(dá)100kHz，所以應(yīng)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(shí)為了防止噪聲引起的信號(hào)抖動(dòng)，應(yīng)采用斯密特觸發(fā)器進(jìn)行抗抖和信號(hào)校正。

1.3編碼器計(jì)數(shù)

編碼器計(jì)數(shù)由CPLD器件來(lái)完成。CPLD是復(fù)雜可編程邏輯器件的簡(jiǎn)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(jìn)的FastFLASH技術(shù)，該技術(shù)采用一個(gè)雙層的多晶硅、兩層金屬技術(shù)，可提供高達(dá)10000次以上的編程/擦寫壽命周期，和傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)EPROM和E2PROM相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)。采用EPROM存儲(chǔ)技術(shù)雖可提供優(yōu)良存儲(chǔ)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(chǔ)器。而CPLD的FastFLASH技術(shù)是對(duì)EPROM技術(shù)的電擦除擴(kuò)展。

和普通的可編程邏輯器件相比，CPLD具有以下優(yōu)點(diǎn)：操作靈活、使用方便;高性能的邏輯能力;存儲(chǔ)元胞密度高;可靠性高;開(kāi)發(fā)迅速;經(jīng)久耐用;能實(shí)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(cè)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(jī)械特性和電氣特性如下：宏單元數(shù)為108個(gè);最大端口數(shù)為108個(gè);引腳至引腳延時(shí)7.5ns;系統(tǒng)頻率為83.3MHz;支持單個(gè)OE(輸出使能)控制;支持JTAG(IEEE邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)1149.1)協(xié)議。特別值得一提的是，XC95108采用了ISP技術(shù)。因此，對(duì)器件進(jìn)行編程不再需要硬件編程器。只要一根下載電纜通過(guò)下載軟件與元件的編程接口連接即可實(shí)現(xiàn)。并且，無(wú)論產(chǎn)品處在設(shè)計(jì)或制造的哪個(gè)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(guò)軟件對(duì)硬件進(jìn)行升級(jí)。

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

1.4PC機(jī)接口

六個(gè)通道的編碼器信號(hào)通過(guò)光電隔離和信號(hào)較正送入兩片XC95108后，XC95108分別對(duì)三個(gè)通道的計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行正反相計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)結(jié)果分別存放在不同的寄存器中，供宿主機(jī)PC讀取。根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，PC機(jī)接口采用ISA總線。

PC機(jī)接口要完成對(duì)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(jì)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。

2CPLD功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用3片XC95108分別實(shí)現(xiàn)6個(gè)通道旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼計(jì)數(shù)以及與PC計(jì)算機(jī)的接口。這里主要介紹一個(gè)通道的編碼計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。CPLD功能實(shí)現(xiàn)根據(jù)支持軟件的不同可選擇采用原理圖方式、VHDL編程以及兩者混合使用三種模式，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言編程方式。

為了確保旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼精度，采用對(duì)輸出信號(hào)A、B的各沿進(jìn)行編碼計(jì)數(shù)方式，這意味著要提取輸出信號(hào)A、B的各個(gè)跳變，圖7是一種跳變檢測(cè)電路的原理圖，相對(duì)應(yīng)的VHDL編程如下。

根據(jù)A，B變化前后的狀態(tài)，可以得到旋轉(zhuǎn)方向、變即計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)方向Dire。從而可以有下列計(jì)數(shù)程序。

這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通道的編碼計(jì)數(shù)。

3系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì)

3.1虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

應(yīng)用系統(tǒng)要使用該采集卡，必須要有相應(yīng)的軟件支持，這各支持可以是直接將復(fù)雜的控制方式告訴用戶，讓用戶直接對(duì)該卡操作，這樣大大增加了程序的復(fù)雜性，也可以采用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的方式，這里該系統(tǒng)提供了虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接口方式。

對(duì)于不同的工作平臺(tái)，可以有不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型，對(duì)于Windows9x可以為VxD，對(duì)于Windows2000為WDM，對(duì)于Windows98既可以是VxD，也可以是WDM。而編寫的方式和借助的工具也各不相同。對(duì)于編寫VxD可以借助于VtoolsD,對(duì)于編寫WDM可以借助于DriverWorks,或者直接用Microsoft DDK(Windows9x和Windows2000均可)?，F(xiàn)以編寫VxD為例，簡(jiǎn)述本系統(tǒng)的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫。

VxD是Vixtual x Device的簡(jiǎn)寫，此處x表示Something。但VxD的功能遠(yuǎn)非僅僅虛擬某個(gè)硬件設(shè)備。有些VxD確實(shí)用來(lái)虛擬設(shè)備，而有些雖然用作驅(qū)動(dòng)程序，卻并不虛擬任何設(shè)備。而另外有些VxD只是給其他應(yīng)用程序或VxD提供服務(wù)。不管如何，它的作用在于對(duì)Windows操作系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展。開(kāi)發(fā)VxD常用的方法是用匯編語(yǔ)言，或者用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程，而本設(shè)計(jì)借助于Compuware推出的VtoolsD，從編寫、編譯VxD到應(yīng)用程序調(diào)用VxD都不涉及匯編語(yǔ)言，直接用C++語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。思路如下：

(1)運(yùn)用VtoolsD的QuickVxd，快速生成VxD基本框架。在“Device Parameters”欄填上VxD的名稱(要遵循C語(yǔ)言規(guī)則)，本研究中設(shè)為SJCJ。為了能將該軟件動(dòng)態(tài)加載，注意選中Dynamically Loadable。對(duì)VxD有動(dòng)態(tài)加載和靜態(tài)加載方法。動(dòng)態(tài)加載是由應(yīng)用程序或別的VxD來(lái)加載，而靜態(tài)加載是在Windows初始化時(shí)加載，直至Windows結(jié)束運(yùn)行時(shí)才卸載。如果VxD(如本例)是為某些特定應(yīng)用程序服務(wù)，則最好不要靜態(tài)加載，因?yàn)楫?dāng)應(yīng)用程序不調(diào)用它時(shí)，它所占的那部分內(nèi)存就浪費(fèi)了。為了能向Win32應(yīng)用程序提供服務(wù)，控制消息W32-DEVICEIOCONTROL應(yīng)選中。在“Output Files”欄選擇輸出地址目錄，輸出SJCJ.h文件、SJCJ.cpp文件和SJCJ.mak文件。

(2)根據(jù)需要在SJCJ.h和SJCJ.cpp添加相應(yīng)的類和函數(shù)(SJCJ.mak用來(lái)指導(dǎo)編譯程序?qū)υ闯绦蜻M(jìn)行編譯，不要變更)，其添加規(guī)則與C++的規(guī)則完全一樣。本程序所要實(shí)現(xiàn)的是要對(duì)某個(gè)指定的I/O端口進(jìn)行完全監(jiān)視，并且采集相關(guān)數(shù)據(jù)，所以另外添加了一些與相關(guān)的類和函數(shù)。

3.2應(yīng)用程序?qū)xD的調(diào)用

按照傳統(tǒng)方法，調(diào)用VxD一般要用匯編語(yǔ)言，但通過(guò)W32-DEVICEIOCONTROL控制消息，可以實(shí)現(xiàn)Win32API對(duì)VxD的直接調(diào)用。剛才在Quick Vxd中已將該消息選中，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)加載Virtual DWord OnW32DeviceIoControl函數(shù)，該函數(shù)用來(lái)處理Win32API的調(diào)用問(wèn)題。換言之，當(dāng)Win32應(yīng)用程序加載VxD、調(diào)用W32 DeviceIocontrol API以及卸載VxD時(shí)，將觸發(fā)函數(shù)OnW32DeviceIoControl，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。Win32應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用函數(shù)CreateFile可以調(diào)用SJCJ.VxD;通過(guò)調(diào)用函數(shù)CloseHandle可以卸載SJCJ.VxD。

4調(diào)試結(jié)果

多通道旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成后，先后在不同的系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，取得了較好的實(shí)際效果。下面該系統(tǒng)應(yīng)用于“具有交叉支撐的三大件轉(zhuǎn)向架的平面形位偏差”測(cè)試為例作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

鐵路車輛應(yīng)用具有交叉支撐的三大件轉(zhuǎn)向架后，左右側(cè)架被彈性固定。由于各種因素，不可能使左右側(cè)架完全正位。從而使實(shí)際導(dǎo)框的中心與名義中心不一致。雖然輪對(duì)的承載鞍與導(dǎo)框間有間隙，但由于摩擦力巨大，輪對(duì)不能輕易活動(dòng)，導(dǎo)框的實(shí)際中心的偏差會(huì)造成輪對(duì)的平均(統(tǒng)計(jì)概率)定位中心的偏差。研究表明這種偏差會(huì)不同程序地影響車輛的線路上的運(yùn)行狀態(tài)，引起轉(zhuǎn)向架的不對(duì)稱磨耗，實(shí)際情況下我們用軸距偏差、對(duì)角線偏差等來(lái)控制轉(zhuǎn)向架的正位狀態(tài)。

為此采用機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合多個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)量軸距偏差、對(duì)角線偏差等來(lái)控制轉(zhuǎn)向架的正位狀態(tài)。

為此采用機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合多個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)量軸距偏差、對(duì)角線偏差，從而保證將這些偏差控制在一定范圍內(nèi)，減少轉(zhuǎn)向架的不對(duì)稱磨耗。該系統(tǒng)選用10個(gè)日本光洋公司出產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器TRD-N-RZ2000，旋轉(zhuǎn)一周能產(chǎn)生2000個(gè)方波，而且最大的響應(yīng)頻率達(dá)到100kHz。該系統(tǒng)用兩塊多通道旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)采集卡，同時(shí)采集10個(gè)計(jì)數(shù)值。使用表明，可以很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求，采集數(shù)據(jù)誤差為±1，即測(cè)量精度為360°/8000。

5結(jié)論

采用CPLD技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多通道編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是切實(shí)可行的，由于采用了ISP和JTAG技術(shù)，修改和編程都很方便，所以通過(guò)對(duì)程序的修改，可以使該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適合于多種編程方式的編碼器，從而使該系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛。

參考文獻(xiàn)

1朱明程.XILINX數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)集成技術(shù).南京：東南大學(xué)出版社

2徐志軍等.CPLD/FPGA的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社

3楊全勝等.現(xiàn)代微機(jī)原理與接口技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社

4KAREN HAZZAH.Writing Windows VxDs and Device Driver,孫喜明譯.北京：中國(guó)電力出版社

5楊強(qiáng)，李堂秋.Win9x虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編程指南.北京：清華大學(xué)出版社