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编码器高速数据处理系统

2编码器高速数据处理系统

2．1系统硬件设计

矩阵编码器数据处理系统硬件结构框图，该系统主要由DSP、CPLD、A／D转换器、USB专用接口芯片和编码器放大、整形电路构成，以DSP为主控芯片，并设计了CPLD粗码读取及译码锁存、A／D高速数据采集与处理和USB通讯系统。

编码器读数头输出粗码和精码的光电信号，精码信号经过放大电路直接进行A/D转换，转换后的数据传送至DS缸体P进行下一步运算处理，粗码信号经过放大整形后进入CPLD，CPLD将数据进行粗码译码并锁存，由CPLD进行逻辑控制，将锁存在其中的信号按时序传送至DSP，最后DSP对采集到的数据进行细分、校正等运算处理，DSP作为CPU，负责整个信号采集及处理系统的总体控制，经过DSP处理后的数字信号通过USB专用接口芯片实现USB高速通讯，按所需格式输出至上位机。

系统控制芯片选用Tl公司的TMS320VC5402型DSP，它最主要的特点是低功率、高性能，有一组程序总线和三组数据总线，高度并行件的逻辑算术单元，由于采用先进的哈弗结构和八总线结构，夹持试样的钳口易磨损等缘由使该芯片速度更高，操作更父活，指令剧期仪为10 ns，运算能力100 MIPS。

传统矩阵编码器的粗码译码需要通过一些列复杂的集成电路才能完成，占用硬件空间、译码速度慢且实时件较差，因此本系统采用基于CPLD的矩阵译码方案，充分利用CPLD集成度高、开发系统先进、方便父活的优点，它具有全硬件逻辑结构，可实现高速矩阵译码，在提高系统实时件的同时节省了系统的硬件空间。该系统选用lattice公司的M4A5—128／64型CPLD，是具有高密度、电可擦除性能的CMOS CPLD，集成度2500个典型PLD门，1 28个逻辑单元，64个I／O口。因为CPLD是基于乘积项结构的，各种逻辑运算都可由与、或、非三种基本运算组成，且个硬件结构，运行速度很快，因此，只要弄清矩阵编码器矩阵码的逻辑关系，通过CPLD的硬件描述语言就可以实现矩阵码到循环码再到二进制码的译码过程。

采用模数转换器AD7874对精码信号进行AD采样，AD7874是美国AD公司推山的一款4通道同步采样l2位逐次逼近式A／D转换器，内置一个高速l 2位ADC、片内基准电压源、片内时钟和4个采样保持放大器，每个通道的转换时间为89s，所有c）电动机转为是否是恰当；4个通道的采样速率为29KHZ。AD7874可以同时进行四蹄模拟通道向数字信号的转换，能直烫印机接与DSP相连，DSP连续对AD7874进行四个相同地址的读操作便可完成读取转换结果的过程，在此过程中，AD7874会自动切换内部寄存器地址。AD7874因其具有高性能和快速接口，特别适合与DSP构成多通道高速数据采集系统。AD7874的转换过程是由低电平有效启动，当进入上升沿时使能第一路转换通道，该管脚是一个非同步输入，与ADC时钟独立，4个模拟输入存放于AD7874片内的4个数据寄存器中，当信号由低到高变化的上升沿来到时，4个跟踪／保持器由跟踪切换为保持，同时，4个通道的数据由通道1到通道4顺序开始转换，转换完毕发山INT为低信号。数据的读取依靠4次连续的读操作，即第一次读出数据寄存器1中的数据，后面依次读出。

该系统的DSP和上位机之间的接口采用USB接口，USB是现在流行的通用串行总线，它可以达到非常高的数据传输速率，并且具有即插即用的特性，非常适用于对传输距离要求不高而对传输速度要求较工商年检高的系统，将USB与DSP相结合，可以非常方便地实现高速数据处理与通讯。由于USB协议非随实验力增加常复杂，开发者不可能在底层基础上进行开发，因而需要选用USB接口芯片作为USB设备端，用以完成USB通信底层的数据链蹄级交换，并对本地微控制器提供一个并行接口，连接DSP与上位机的数据交换。本系统选用南京沁恒有限公司生产的USB总线通用芯片CH375作为USB接口芯片，CH375具有内置的固件模式，该模式下可以屏敝相关的USB协议，并自动完成标准的USB枚举及配置过程。这样就不需要本地端控制器DSP对USB的枚举配置作相关的处理，简化了DSP的固件编程。为CH375作为接口芯片，连接本地端处理器DSP和USB设备的功能框图。采用单独地址／数据总线配置，即用DSP中地址线控制CH375的A0引脚，实现命令数据的选择，片选信号由DSP的地址或控制线控制，当系统启动时，将DSP内采集和处理后的数据利用USB接口芯片可快速传送给上位机。

2．2软件程序设计

程序结构包括初始化程序、数据采集程序、细分处理程序、精粗校止程序以及通讯程序。TM320VC5402提供C语言和汇编语言两种程序语言，木系统采用汇编语言，CPLD采用VHDL硬件语言编写，实现简单的逻辑转换功能。

系统上电后首先需要进行初始化操作，包括DSP系统的初始化和外设初始化，对他们进行参数配置，包括定义中断向量、堆栈指针初始化、通讯初始化、外部中断初始化和I／O端口初始化。

数据采集程序包括读原码及A／D转换。进入A／D转换了程序后，先由门电路给出转换芯片的片选地址，再由DSP的控制引脚发出脉冲启动A／D转换，可以同时启动1片A／D转换器的4路模拟信号向数字信号转换，转换后的l2位数据可以由l8位数据总线的DSP一次传输，节省数据处理时间。

采用计算法进行精码细分，细分了程序包括偏移码处理、象限判断、除法运算和细分查表。

在本系统中，USB芯片只用来完成USB的基本通信，其通讯端点的操作过程都是在DSP的中断程序中完成的。在本地端，DSP采用命令加数据的I／O操作方式对CH375进行操作，需要先给CH375发送命令后，才能执行数据输入输出，CH375完成给上位机的数据发送过程，以中断方式通知DSP。

3 实验

该编码器粗码原始信号共13蹄，精码细分和精粗校正后，精码与粗码组合成21位矩阵编码器。采用比较法对该21位矩阵编码器进行精度检测，将正l 7面棱体与编码器进行同轴连接，将多面体和自准直仪作为角度基准，编码器正向旋转和反向旋转分别检测一次，得到编码器误差的均方差为1．89¨，误差峰峰值为6．89¨。

4 结论

本文介绍了一种21位矩阵编码器高速数据处理系统，该编码器采用矩阵式，编码盘，大大减小了编码器尺寸；编码器数据处理系统结合现在DSP的高速数据处理能力和CPLD在系统上的灵活应用性，选用TMS320VC5402型DSP为主处理芯片，并采用M4A5—128／64型CPLD代替传统微处理器外围大量的集成电路，在缩短了数据的运算剧期的同时节省了系统的硬件空间；选择USB通讯方式，实现DSP与上位机间数据的高速实时传输。本系统可实现光电编码器的高速信号处理，大大提高系统的响应速度，编码器在常温下检测精度为均方差l．89¨，可满足运动装置的角位移检测和实时控制要求。