基于绝对式光电编码器的智能测角系统设计(共41页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上基于绝对式光电编码器的智能测角系统设计摘要 光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大、滤波检测等检测电路中提取出有用信息，在经A/D变换接口输入计算机进行处理，最后显示或技术打印输出所需检测物体的几何量等参数。 目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比、低电压、低功耗等优势，广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化、通讯设备、宇航设备和各种消费类产品中。光电编码器，是一种通过光电转换将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲传感器。根据绝对式光电编码器的工作原理与设计方案论证，给出了系统总体方案。MCS-51系列单片机在工业控制系统中已广泛应用。PC机往往需要与单片机进行通讯，以构成分布式计算机控制系统。设计本系统的目的为了快速处理编码器输出信号，直观的显示测量结果。关键词 光电编码器 单片机 测角系统 软件实现目 录第一章 绪论随着现代科学技术以及复杂的自动控制系统和信息处理理论和技术的提高，光电信号变换与检测技术的不断涌现，综合性的自动化、智能化的光电系统得到进一步发展，形成了包括光学、电子学和计算机科学的高度知识集中的新学科光学精密机械电子学（Optomechatronics）。这种跨学科的边缘技术就是光电技术。现在，光电技术已广泛的应用于工业、农业、文教、卫生、国防、科研和家庭生活等领域即光辐射的检测问题。因此，光电检测技术是光电技术的核心和重要组成部分。光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大、滤波检测等检测电路中提取出有用信息，在经A/D变换接口输入计算机进行处理，最后显示或技术打印输出所需检测物体的几何量等参数。众所周知，人们无论从事科学研究,工程设计或工作生产，都要通过大量测试取得客观事物的正确量值，从而了解事物的本质。但过去多年来，传统的测试技术都是分别用单个仪表对象进行测量，再由人工处理各种测量结果。随着近代工业和科学技术的发展，测试任务和测控对象变的越来越复杂，对测试速度和测试精度的要求也越来越高，这就促使人们不断地研究新的测试理论和方法，新的测试设备，从而推动自动测控科学和仪器仪表技术不断地向新的领域发展。回顾测试仪器的发展史，从30年代到80年代，大致经历了纯机械式仪器、精密机械光学仪器、气动仪器、电动测量仪器（包括模拟式和数字式）及微型技术有机结合的产物，新型传感技术和微型机的成功应用是近代精密仪器的标志。近十年来，微型机在测试仪器中的广泛应用预示着测试仪器正在经历着一个更大更深刻的变革，这就是所谓微型机化仪器的出现。微型机化仪器，也叫智能仪器，此概念是70年代中期的微处理器技术开始应用与测量仪器之中，以代替一部分人工智能的情况下提出来的。由于UP的硬件、软件及其支持芯片，外设已经成熟，使得一些典型的智能仪器，如坐标测量机、表面形貌测量仪、齿轮测量仪、图形测量仪与分析、仪器万能数字测量系统等逐渐趋于成熟并达到相当高的水平。虽然微型机仪器品质繁多，但从微型机为基础这一基本特点出发，有其共性。其基本结构如图1.1图1.1基本结构框图随着大规模集成电路的迅速发展，性能越来越强，价格越来越低，使计算机的广泛应用成为可能，而广泛应用反过来又促进计算机技术不断发展，当今各种类型的计算机不断涌现和发展，有大型智能机、巨型机、小型机和微型机。其中微型机的出现和发展，掀起计算机普及的浪潮。美国英特尔公司1971年首次成功地在一个芯片上实现了中央处理器的功能，这就是四位微处理器Intel14004,并用它制成世界上第一台微型机，从此拉开微型机发展的帷幕。以后，1973年推出8位微处理器，如Inter8080,Z80等；1978年朝大规模集成电路的32位微处理器问世，如英特尔公司的80386，80486等。在短短的十年里，微处理器以及相应的微型计算机经历几代变化，平均两三年就换一代，其发展速度是任何技术所不能比拟的。近年来微型机技术更是飞速发展，加快更新换代，平均每两年芯片集成度可提高一倍，性能提高一倍，价格减少一半，即：计算机将变得体积更小、重量更轻、价格更便宜、更便于使用，并将不断开辟出新的应用领域。PC机的发展趋势是：更小的、更快的、便携的系统将取代部分较大的、笨重的台式系统。微型机从出现到现在不过20余年，因其体积小、轻便、灵巧、使用方便、价格便宜，因而其应用范围急剧扩展，从天空中的航天飞机到家庭生活中的电器，从工业自动控制到办公自动化，以及商业、服务业、农业等等，遍及各个领域，对人类文明进步产生了巨大的影响。将计算机技术与自动测试技术相结合就产生了自动测控系统。它有许多突出的特点，这些特点，主要是依靠计算机的高速的数据处理能力、控制能力和信息存储能力所取得的。归纳如下：1 高速度2 高精确度3 具有自校、自测和自论断的功能4 测量结果的显示方式多样化5 操作简便计算机软件是用户和计算机之间的接口和桥梁，它是指明计算机和发挥计算机效率的一套程序与操作系统、数据库管理系统,应用程序,各种维护和使用手册、程序说明等。在做本论文过程中我设计并实现了绝对式光电编码器的信号处理电路，还实现了单片机与PC机之间串行通讯问题，以便将原始数据交由PC机处理，以进一步提高测量结果精度。本系统具有高度智能化，可靠性和测量精度都比较高，能实现实时在线测量。第二章 绝对式光电编码器的工作原理与设计方案论证2.1 系统的组成与总体结构设计本系统的目的为了快速处理编码器输出信号，直观的显示测量结果。因而系统首先必须正确实现计算机与传感器的接口，在此特别要提出的是：为了提高编码器抗干扰性能，编码器采用了12V OC门输出，因而编码器每一路输出信号必须加上拉电阻才能有信号输出。输出信号号通过电平转换以后输入计算机，计算机处理以后的信号则应由显示装置显示结果。而单片机与PC机之间实现串行通讯电路部分也应考虑到电平的兼容性问题。详细的设计过程则在第三章阐述。2.2 光电编码器的工作原理 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。2.2.1 光栅检测的简单概述几百年前，法国的丝绸工人发现：两块薄绸子迭合在一起，上下两层薄绸子的经纬线交错，在阳光照射下会产生绚丽的花纹，当薄绸子相对移动时，花纹也跟着晃动，变化。这种花纹状似水波，法文称为Moire，中文译为“莫尔”。莫尔现象在日常生活中到处都能见到。如，阳光照射交叉编插竹竿篱笆，在地面上投下一片明暗相间的花纹彩带，这就是一种莫尔条纹。起初，莫尔条纹只是应用于装饰方面。随着科技的发展，莫尔条纹现象作为一种精确的检测手段，逐渐应用于测试技术中。 将两块光栅迭在一起，另使二者光栅线交成很小的夹角，就可以看到所谓的莫尔条纹图案，如图2-1。如果两块长光栅迭合，光栅栅线都为平行排列的直线，则黑条纹是有一系列的交叉线构成的不透光的部分，而白条纹是有一系列的四棱行构成的透光部分。 圆光栅莫尔条纹的图案复杂，种类繁多。这里以一种常用圆光栅莫尔条纹为例，作一简要说明。1.长光栅的莫尔条纹 长光栅的莫尔条纹，通常分为三种形式：横向莫尔条纹、纵向莫尔条纹和斜向莫尔条纹。两块光栅的栅距为W1和W2，若W1=W2=W，二者迭合时，栅线交角较小，则形成横向莫尔条纹，如图2.2。图2.1莫尔条纹图案 图2.2横向莫尔条纹两块光栅栅距很接近，但不相等，二者迭合并保持栅距彼此平行，即交角，则形成栅线平行的条纹，称为纵向莫尔条纹，如图2.3所示。两块构成纵向莫尔条纹的光栅，如其中一块转动一个很小的角，即0，则构成斜向莫尔条纹，如图2.4所示。图2.3纵向莫尔条纹 图2.4斜向莫尔条纹一般光栅的栅距远比照射光的波长大的多，因而通常采用遮光原理解释莫尔条纹的形成。如图2.5所示，在h-h线上，两块光栅现彼此重合，从棱形隙缝中通过光的一半，透光面积最大，形成条纹的量带：在g-g线上，两块光栅栅线彼此错开，形成条纹的黑带，一般a=b=w/2，即此带是全黑的。图2.5莫尔条纹的几何特性条纹宽度B与栅距W、夹角的关系，可由图2.5中的右图导出，即B=AD=2AB=2*BC/tg （2-1）一般很小，故上式可简化为 B （2-2） 其中夹角的单位为rad，栅距和条纹宽度的单位为mm。当两光栅沿着垂直于栅线的方向相对移动时，莫尔条纹将严重平行于栅线的方向移动，光栅每移动一个栅距W，条纹就跟着移动一个条纹宽度B。可以看出，光栅的移动量与莫尔条纹的移动量成正比，系数为1/，当很小时，这个系数可以很大。可见，莫尔条纹表现了位移放大器的作用。2.圆光栅的莫尔条纹径向圆光栅的刻线通过圆盘中心，当两块栅距相同的径向圆光栅与一个不大的偏心量e迭合在一起时，就会形成如图2.6那样的圆弧形莫尔条纹。从图中可以看出，径向圆光栅的莫尔条纹就由一系列圆弧构成的，在沿着偏向的方向上，两块光栅的栅距因偏向而造成不等，因而产生近似地平行于栅线的纵向莫尔条纹；在垂直于偏向的方向上，产生近似地垂直与栅线的横向莫尔条纹，在其它的方向上，莫尔条纹介于前两者之间，可视为斜向莫尔条纹。图2.6径向光栅的莫尔条纹 图2.7圆弧莫尔条纹形成由数学推导可以证明，径向圆光栅的莫尔条纹是两簇对称的圆行图案，其圆心位于两光栅中心连线的垂直平分线上，如图2.7所示，而且这些条纹都通过两个光栅的中心。径向圆光栅的莫尔条纹同长光栅的莫尔条纹相比，其不同点在于：径向圆光栅的莫尔条纹宽度不是一个定值，它随着条纹的位置不同而变化。实际应用中，通常是取横向莫尔条纹这一部分。利用莫尔条纹的特点来可测量微小角度和长度。目前，利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量的技术，在国内外得到了广泛的应用，由于光栅测量具有精度高和使用可靠的优点，它已应用在实验室的静态、动态测量和数控,自动检测以及光电跟踪等更为广阔的领域。莫尔条纹现象是光栅测量技术的基础，而莫尔条纹信号的光电计数和细分技术的发展和日益完善，则是光栅测量技术能够得到如此广泛应用的前提。详细情况可参考有关书目，在此不再赘述。2.2.2 光电测角原理光电测角是利用光电转换器件将角度位移量的编码或干涉的光信息转换为电信息后，经译码或参与运算的电子电路而得出所测量的角度的。目前野外测量仪器普遍采用的光电测角方法是利用莫尔条纹技术的增量方法（即圆光栅方法）和利用光电编码度盘的绝对法。在测绘领域上进行角度测量，通常使用光学经纬仪，这是一种传统的目视光学测角方法，随着国民经济的不断发展，要求室外测量仪器朝着轻便、快速、高精度、自动化、多功能的发展，因而不但要求测距自动化还要求测量也能自动化，数字化。这样，就可以将方位角和高低角的信息同距离信息一同送入微机中处理，从而可同时迅速获得水平距、高程和坐标等实用数据。随着光电技术的发展，目前世界上已研制出能自动测距和测角，并自动纪录或显示角度、距离、高程和坐标的仪器，这种仪器称为站式电子测速仪，其自动测角均采用的是光电测角的方法，光电测角法不但可以消除人差影响、提高测量精度，更重要的是能使测角过程自动化，因而大大地减轻了测量工作的劳动强度并且提高了作业效率。1）利用绝对式光电编码度盘测角光电编码度盘是在光学度盘刻度圈全周根据监测精度需要的位数N，光刻加工出相应的N条码道，码道的透光区与不透光区表示各位置处代码的“1”和“0”状态。码道愈多，则编码器的角度也愈高。自然二进制虽然简单，但存在使用上的问题。就是由于图案转换点位置不同而引起的粗大误差。为了避免这种误差，一般采用格雷码图案的码盘。格雷码具有无论从那一个数值转换到相邻数值时，字节各位数中仅有一个位发生变化的特点。而自然二进制码经常有2-3甚至4位数值同时发生变化的情况。因此，采用格雷码只能发生一个最小量化单位的改变，而不会引起粗大误差，所以格雷码是使用中常用的方法。格雷码是一种无权码，这给直接根据它译码造成一定的困难，通常先将它转换为二进制码，然后译码。格雷码和自然二进制码之间的关系是“异或”逻辑电路的数学关系。因此可用标准的“异或”电路将格雷码转化为自然二进制码，为了得到某一位的自然二进制，只要将高一位的已计算的自然二进制码的值和本位的格雷码值输入到“异或”电路中即可。（附录附有格雷码向高位自然二进制码转换的程序）。为了按人们的习惯填出码盘系统的示值，还需要将二进制变为十进制码或度分秒。利用码盘测角得到的是相对于某一固定的零位算起的转角位置，不能任意设置零位。若需测量从某一起始位置到某一终止位置的转角，可以根据着两个位置所对应的编码，进行相减，然后译码显示求的的转角。也可将起始位置的编码送入二进制计数器，译码显示前不将它清零。这样，当二进制计数器计到与终止位置相同时停止计数，读出的示值即为转角值。2）利用增量或光栅度盘测角光栅度盘就将度盘圆周刻成径向光栅。在度盘的一侧装光电接收器件，在另一侧利用光源照明。如果有一个栅距与度盘上光栅栅距相同的指示光栅紧靠度盘安放，那我们就可观察到莫尔条纹。由于莫尔条纹是有光栅的大量栅线形成的，对光栅栅线的刻化误差有平均作用，从而能在很大程度上消除短周期误差对测量精度的影响。当指示光栅沿着刻化圈x方向移动时，可以观察到莫尔条纹沿垂直的y方向移动，它们之间的简单关系为： （2-3）因此，可通过调节的大小选择所需要的条纹宽度来适应光电接收器件的光敏面积。莫尔条纹光强的变化在理想条件下是一个三角波，但由于两光栅之间具有空气间隙,光栅的衍射作用等因素的影响，光电器件输出信号是一个近似的正弦波。当两光栅相对移动一条刻线时，干涉条纹将移动一整周。这样，干涉条纹移动的的总周数将等于光栅的总条数。因此，可通过计数出和记录光电器件所接收的光强度曲线总周数或总的光脉冲书，便可精确测出指示光栅转动的角度值。由于它是在相对运动中读出的角度变化量，所以光栅度盘测角属于增量法。为使计数器具有判别旋转方向的能力，常用的方法是另设一个辅助批示光栅，由它产生的莫尔条纹的相位与由主指示光栅产生的条纹相差。假定正旋转时主条纹波形在相位上超前90，在反转是滞后90，因此，通过一般的方向判别电路，即可使仪器正转时输出加法脉冲，反转时输出减法脉冲。将它们接入可逆计数器，就实现了正确的计数。2.2.3 光电编码器原理及应用光电编码器，是一种通过光电转换将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲传感器。光电编码器具有最广泛的应用。下面是按其构造和数字脉冲的性质进行的分类。 直线线性编码器 转动方式 转动轴角编码器构造类型 透射光 光束利用 反射光 可辨向的增量编码器 方向辨别 增量式 不辨向的脉冲发生器 有零位信号 信号性质 零位信号 无零位信号 绝对式绝对式编码器 增量式编码器图案均匀，其光信号脉冲一样，因而可把任意位置作为基凖点。从该点开始将位移或转角一定的量化单位检测，计量脉冲数即可折算位移或转角。 绝对式编码器图案不均匀，其光信号脉冲不一样，它是在可运动的光学组件的个位置坐标上刻制出表示相应坐标的代码形式的绝对地址。这种方法的确优点是：和带读数刻线尺的目示测量一样，坐标是固定的，与测量之前的状态无关，因此不需要起动的位置重合；抗干扰能力强；没有误差的积累；长期工作可行性高，再现性好；切断电源后信号不消失，通电后能恢复原来状态；在不读数的范围内移动速度可超极限响应速度；不需要方向判别和可逆计数，信号上并行传送等。绝对式的缺点是结构复杂、价格高；为提高分辨率需要提高码道数目或者使用减轻齿轮机构组成双码盘机构；将任意位置取做零位时，需进行一定的运算。本节先简单介绍增量式光电编码器，然后再详述绝对式光电编码器。1）增量式光电编码器 增量式光电编码器实质是一种光栅变换装置。所谓光栅，实质上就是刻线间距很小的标尺或度盘。它的主要特点是间距小，线条长，并且线条和缝隙是等宽的。增量式光电编码器是利用两块光栅迭合时产生的莫尔条纹效应，至于莫尔条纹前面已作了简要描述，在此不做详细说明。2）绝对式光电编码器 绝对式光电编码器分为光电轴角编码器与光电直线编码器两类。在此仅介绍轴角编码器。图2.8是光电轴角编码器的结构示意图。来自光源1的光束通过透镜2变成平行光束照射到编码器3上，通过透光板4上确定位置的若干光孔输出一条窄细的光束被几个光电器件5接收。根据码盘的不同位置，各光束分别编码转换为电信号后，由解码器6和输出电路7输出表示角度位置的数字信号。图2.8 光电轴角编码器的结构示意图 图2.9自然二进制码盘码盘上根据检测精度需要的位数N，光刻加工出相应的N条码道，用透光和不透光的方法表示各位置处代码的“1”和“0”状态。图2.9（a）是自然二进制码盘的图案，在图中黑点的位置上装置光电读数土，码盘内侧表示高位。在图2.9(a)所举的例子中码道N=4，最高位数为16个角度位置。 自然二进制码虽然简单，但存在着使用上的问题，这就是由于图案转换点出位置不分明而引起粗大误差。例如。在由7转换到8的位置时光束要通过码盘0111和1000的交界处（或称度越区）。因为码盘的工艺和光敏组件安装的误差有可能使读数图的最内权（高位）定位位置上的光敏组件比其余的超前或落后一点，这种导致可能出现两种极端的读数值，即1111或0000从而引起读数的粗大误差，这种粗大误差是绝对不能允许的。为了避免这种误差，采用了Gray Code图案的码盘(2.9(b)。由Gray Code 与自然二进制之间的关系可以看出，Gray Code 具有从任何值转换到相邻值时，字节各位数中仅有一位发生状态变化的特点。而自然二进制则不同，代码经常有2-3位甚至4位数值同时发生状态变化的情况。这样，采用Gray Code的方法即使发生前述的错误，由于它在进位时相邻界面图案的转换仅仅发生一个最小量化单位的改变，因而不会产生粗大误差。这种编码方法称作单位距离码(unit distance code )，是使用中常采用的方法。绝对式光电轴角编码器的主要技术指标是：a.分辨率。即每转一周所能产生的脉冲数，由于刻线和偏心误差的限制，码盘的图案不能过细，一般线宽2030um。最高分辨率相当角度值的1"。进一步提高分辨率可采用电子细分的方法，已达到100倍细分的水平。此外也有采用双码盘串联连结或和增量式相结合的精确测量方式。b.输出信号的电特性。表示输出信号的形式（代码形式、输出波形）和信号电平以及电源要求等参数。c.频率特性。对高速转动的响应能力，取决与光敏器件的响应和负载电阻以及电源要求等参数。d.使用特性。包括器件的几何尺寸和环境温度。采用光敏器件温度差动补偿的方法温度范围可达-5C+50C。外行尺寸由不等，随分辨率提高而加大。光电轴角编码器的一个应用方面是作数字控制装置中的位置检测和反馈组件。例如同增量式编码器一样，它也可以作机床工作台移动量和坐标测量机的位移量的测量。这种情况需要有直线运动和旋转运动的转换器，通常用丝杠和齿条机构实现。图2.10是一工作台闭环控制系统，工作台通过滚珠丝杠杆和轴角编码器连接，当工作台运动时，增量脉冲由辩向细分电路和计数器测的实际的位移，并和程序的输入信号比较。差值信号经功率放大器推动电机转动，带动工作台运动，这是一个闭环控制系统，编码器是位置反馈组件。绝对编码器由于有再现性高，长期工作稳定性好的优点，特别适用于角度坐标应用于大型摄影经纬仪和雷达的方位度检测中，并能构成数字式角度随动系统。图2.11是一个秒级角度跟踪系统的框图。发送用的绝对式轴角编码器经数字比较器和变换器以及随动放大器带动伺服电机转动，接收用轴角编码器和电机刚性联接，输出的绝对编码信号在数字比较器中和发送用的编码信号相比较，构成闭环控制，可以实现发送端和接收端角度的精确跟踪。也可以由计算机输入过程控制。 由轴角编码器组成的三坐标测量机测量范围可达1m×1m×500mm以上。最小读数为1m，重复精度为2m。计数响应可大500mm/s，提供6位数字输出。轴角编码器特别适用于大行程角度和线位移的测量。结构小、灵敏度高、力矩小、寿命长、抗干扰，是一种较实用的测角、测长器件。由于光电编码器体积小、重量轻、使用方便，易于实现自动测量和数控，因而发展迅猛、应用广泛，它可用于机床、工业机器人、传动测量仪、各种数字随动系统锻压设备以及轧钢自动控制系统的数显数控。目前已有了绝对式智能多圈编码器，不仅能记录一周内的角度信息，而且能记录圈数信息，对多圈进行编码。这种编码器的最大特点就是通用性强，在一台编码器上设置多种码制输出，多种输出方式，能最大限度地满足用户需求。还有高分辨率小型激光编码器，适合于对高分辨率、高精度和高频等有特殊要求，而体积、重量受到苛刻限制的场合。到目前为止，美国市场已出现每转几千万个脉冲的编码器，长春光机所有外形66、输出为25000个脉冲的小型高脉冲的光电编码器. 图2.10工作台闭环控制系统 图 2.11角度跟踪系统的框图2.3 信号处理电路的方案论证 在本系统的设计中，有两处电路设计值得讨论一下，以下便是电平转换电路与上位机与下位机通讯的方案论证。2.3.1 电平转换电路的方案论证与选择在具体进行方案论证之前，先介绍一下光电耦合器件。一光电耦合器件的含义和特点1）光电耦合器件的含义 在工业检测、电信号的传送处理和计算机系统中，常用继电器、脉冲变压器或复杂的电路来实现输入、输出端装置与主机之间的隔离、开关、匹配、抗干扰等功能。而继电器动作慢、有触点，工作不可靠；变压器体积大，频带宽，所以它们都不是理想的部件。随着光电技术的发展，70年代出现了一种新的功能器件。它是将发光器件（LED）和光敏器件（光敏二极管，三极管）密封在一起形成的一个电光电器件。如图2.12所示。这种器件在信息传输过程中是用光作为传输媒介，把输入和输出的电信号耦合在一起的，在它的线性工作范围内，这种耦合具有线性变化关系。由于输入和输出仅用光来耦合，在电性上是完全隔离的。因此，光电耦合器件的电隔离性能、线性传输性能等许多图2.12光电耦合器件特性，都是从“光耦合”这一基本特点引申出来的。故有的人把光电耦合器件也称为光隔离器件或光耦合器件。 2）光电耦合器件的特点光耦合具有下列特点：a.具有电隔离的功能。它的输入、输出信号完全没有电路的联系，所以输入和输出电平零位可以任意选择。绝缘电阻高达1010，击穿电压高达10025kv，耦合电容小到零点几个方法。b.信号传输是单向性的。不论脉冲、直流都可以使用。适用于模拟信号和数字信号。c.具有抗干扰噪声的功能。它作为继电器和变压器使用时，可以使线路板上看不到磁性组件。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。d.响应速度快。一般可达到微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可传输的消耗频率在直流和100MHZ之间。e使用方便。具有一般固体器件的可靠性、体积小、重量小、抗震、密封防水、性能稳定、耗电省、成本低，工作温度范围在之间。由于光电耦合器件性能上的特点，是它的发展非常迅速。目前，光电耦合器件在品种上有8类500种，近几年仅在日本年产量就达几百万。这一观点结合的新器件的广泛应用以使电子线路设计工作出现了一个较大的飞跃和进步。它已在自动控制、遥感遥控、航天技术、电子计算机和其它光电、电子技术中得到广泛的应用。二方案选择计算机在进行测量过程中，测量仪器工作电压有可能与计算机工作电压不兼容，如本系统中的光电编码器输出信号高电压12v。要实现计算机与测量仪器的信息交换，就必须进行电平转换。另外，本系统在实现单片机与PC机之间通讯采用的是异步串行通信，采用RS-232总线标准。由于RS-232总线上传输的信号的逻辑电平差异很大，同样也存在电平转换问题。设计时考虑了以下几个方案：1）分离组件电平转换器图2.13是两种分立组件电平转换器线路图。相比之下，图2.13（a）所示线路只需+5v电源，而比图2.13(b)线路实用。图2.13（a）中由A到B实现了RS-232C电压转换成TTL电平，其原理是：若输入端A为RS-232C的逻辑0电平,则T1导通，B端输出逻辑0电平；若A输入端为的逻辑1电平，则T1截止，B端输出的逻辑1电平。同理，由B到A实现了TTL电压转换成RS-232C电平。 图2.13分离元件电瓶转换器线路2）集成电路电平转换器MC1488,MC1489MC1488用于将TTL电平转换成RS-232C电平；集成电路MC1489用于将RS-232C电平转换成TTL电平。图2.14给出这两种芯片的引脚图： 图2.14集成电路电瓶转换器MC1488和MC1489引脚图MC1489的2，5，9，12脚为控制脚，使用时宜外接一个电容（0.001-0.01uf）至地来控制总线上的信息的上升时间，从而提高RS-232C的抗干扰能力。图2.15为RS-232C接口电平转换电路 3）MAX232+5电源多信道RS-232驱动器/接收器MAX232驱动器/接收器是用于各种EIA/TIA和V.28/V.24的通信接口，尤其适用于没有电源的场合。该器件特别适用于干电池系统，这是由于它们的低功率关闭方式把功耗减少到低于5W。 MAX232只要单一的+5V电源电压就可以工作。该器件内有一个电源电压变图2.15RS-232C接口电平转换电路换器，可以把输入的+5V电源电压变成为产生RS-232C输入电压所需的电压。由于所有的RS-232应用中几乎都需要线驱动器和接收器，MAX232把接收器和驱动器包含在一个封装中。在RS-232C的不同应用场合又需要不同数目的驱动器和接收器，为了减少器件的数量，MAXIM提供RS-232C驱动器/接收器不同的各种型号，给使用提供了极大方便。由于以上所列MAX系列器件的优越性，本系统中单片机与PC机通信所需接口芯片选择了MAX232。图2.16列出了MAX232C引脚排列和典型工作电路。图2.16MAX232引脚图三集成电路电平转换器AL-02-512绝对式光电编码器的电源电压为12V，输出形式为电压输出，而单片机工作电压为TTL电压，所以计算机在采集光电编码器输出信号时，必须利用光电耦合器实现电路隔离，同时实现电平转换，以保证计算机正常工作。图2.17是本系统实现光电隔离原理图：图2.17光电隔离原理图 图中限流电阻R1大小的选择，应用发光二极管能正常工作为前提，一般通过发光二极管的电流不应大于10mA，据此计算R1应选以上1.2K，为安全起见，本系统中为2.4K。接收端电阻的选择应以能正确表示逻辑关系为准，当输入端为高电平“1”时，接收端光敏二极管导通，输出应为低电平，由TTL电平特性知，输出端电平应小于0.8V，据此计算的R2应为600以上，由于本系统中为了能更为直观观察光电编码器输出状态，在光敏二极管导通时，该灯能分掉一部分电压，所以本系统中R2选择电阻300，实验结果表明当输出为低电压“0”时，电压低于0.6V，完全满足电平特性。2.3.2 上位机与下位机通讯的方案论证与选择 微型计算机与外部设备之间可以通过串行接口进行信息交换，也可通过并行接口进行信息交换。串口经济，传输信息距离较远，但传输速度慢；并口传送距离较近，但传输速度快。在本系统设计时，共考虑了两个方案，现讨论如下：1） 并行接口方案并行接口原理图见下图2.18：8031通过查询方式实现与PC机之间的信息交换，8255A口工作于方式2（双向总线I/O）。单片机向PC机输出数据时，首先WR信号将数据写到A口，这使得PC7即OBFA=0（初始态OBFA=1），PC机通过读8255A的INT使OBFA恢复到初始状态；PC向51片机写数据时，用输出命令将数据写入8255A，同时8255A的图2.18并行通讯接口原理框图INT信号有效，使PC4（STBA）产生一个选通信号，该信号将PC5（IBFA）置为有效（即IBFA=1，初态为0），8031读8255A的C口得知IBFA=1，再读A口即可将数据读入控制器。并行口地址采用部分译码，8212I和8212II地址是02E0H和02E1H。由于本系统所选AT89C51系列单片机仅有P1和P3口，无法扩展总线，因而没有采用该方案。2）串行通讯方案 串行通讯是计算机进行数据通讯的主要方式之一。由于其连线少，成本低，再加上有调制/解调的功能（本系统由于传输距离不大，也就不必加Modem），应用特别适合距离较远而且通讯点较多的场合，如各种计算机网络和分布式系统等。RS-232C是最管用的一种串行通讯标准。在PC机中，一般都有12个RS-232C标准串行口。简称COM1和CPM2。利用这两个串行口，PC机可以与其它数字设备进行一般的数据传送，或构成局域网络、多用户系统和分布式控制系统等。MCS51单片机内含有一个全双工的串行口，并具有多通讯的功能，可以方便地构成多机控制系统。但本系统为了显示处理后的数据，采用的方案是51单片机的串口，故采用系统时钟和P3.4,P3.5设计软件接口，波特率选为4800。图2.19是软件串行口硬件连接图：2.3.3 PC机界面显示方案论证与选择单片机通过串行通讯将光电编码器输出的数据传送到上位机，即PC机，为了生动直观，可用作一个界面，使光电编码器测得角度在PC机上直接显示出来。一种方案是利用C语言来编程，这适用于功能较低的微机。对于功能较高的微机，目前微机常用的是Windows操作系统，它为用户和开发人员提供了种类丰富的服务，本次设计是用的Windows98系统。当用户为许多操作系统编写程序图2.19软件串行口硬件连接图时，用户程序将同系统通信。例如，对于程序来说它将是一个请求输入输出的程序。不同之处是，以传统方式所写的程序将调用操作系统，而Windows操作系统不会调用用户程序。然而，通常以相反的方式来工作。也就是说将调用用户程序，是通过消息来触发的。它是基于消息传递，事件触发来驱动运行的。所谓消息传递，就是运行的一种机制，是把事件触发所产生的消息排成一个队列消息对象，然后将消息往触发该事件消息的对象中发送，从而驱动程序运行。对于本设计，PC机的消息就是从COM1和COM2两个串口输入了数据，可利用环境自带的控件进行编程，添加输入信息消息，再添加其它消息函数，如接收信号、停止接收等等。然后对消息函数编程。第三章 绝对式光电编码器信号处理电路及软件的实现3.1 绝对式光电编码器控制系统根据绝对式光电编码器的工作原理与设计方案论证，给出了系统总体方案，如图3.1所示。本系统采用PC机（上位机）通过MAX232与多台单片机（下位机）通过串行通讯。故本系统借助绝对编码器的对位置检测的回馈，单片机通过对绝对编码器对伺服电机的位置检测的反馈信号的处理，即可实现对伺服电机位置的精确定位，本系统组成包括需要测量旋转位置的电动机、绝对式光电旋转编码器、电平转换元件MAX488、单片机及液晶显示屏。本文将主要针对编码器和单片机的接口部分的内容加以说明。绝对式光电旋转编码器内部集成了RS-422差分线路驱动器和接收器,其数据传输符合EIA RS-422标准,该协议规定数据信号用差分传输方式。它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常发送驱动器A， B之间的正电平在26 V，是一个逻辑状态，负电平在-2-6 V,是另一个逻辑状态。接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200 mV的电平时；输出正逻辑电平，小于-200 mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在0.26 V之间。MAX488由+5 V电压供电，是一种适用于R422和RS-485的低功率收发器。由于单片机的I/口采用TTL电平，故图3.1系统总体框图选用MAX488芯片实现TTL电平与编码器采用的RS-422电平之间的转换。绝对式光电旋转编码器实时测量电机的旋转位置，并将位置信息转换为(nMT+nST)位数字量。单片机控制输出口PA1的电平来模拟时钟信号，并通过MAX488转换为RS-422差分信号(SCLK+和SCLK-)送至编码器。编码器根据时钟信号按位发送电机的绝对位置值(DATA+和DATA-)，再通过MAX488将RS-42差分信号转换为TTL电平信号送至单片机的输入口PA0，单片机通过读取PA0的电平获得电机旋转位置值，处理后送至液晶屏显示。3.1.1 微机系统的扩展目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比、低电压、低功耗等优势，广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化、通讯设备、宇航设备和各种消费类产品中。这主要取决于单片机本身所具有的如下特点：小巧灵活、成本低、易于产品化，它能方便地组装成各种智能式控制设备及各种智能仪器仪表。面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它机种无法比拟的。可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。(一)AT89C51单片机简