编码器四倍频电路的单片机高速算法设计

２００７年第１１期

文章编号：１００１—２２６５（２００７）１１—００７３—０２

・控制与检测・

编码器四倍频电路的单片机高速算法设计

王子博

（大连理工大学电子信息工程学院。辽宁大连１１６０２３）

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；高速算法中图分类号：ＴＰ２７３

文献标识码：Ａ

ＭＣＵ

ＦｏｕｒｆｏｌｄＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｉｒｃｕｉｔＤｅｓｉｇｎｏｆＥｎｃｏｄｅｒＢａｓｅｄ

Ｏｉｌ

ｗｉｔｌｌＳｐｅｅｄｙＡｒｉｔｈｍｅｔｉｃ

ＷＡＮＧＺｉ—ｂｏ

（ＣｏｔｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬｉａｏｎｉｎｇＤａｌｉａｎｌｌ６０２３，Ｃｈｉｎａ）

ｄｅｓｉ粤Ｉｆｏｒｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｃｏｄｅｒｂａｓｅｄ

０１１

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｆｏｕｒｆｏｌｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｉｒｃｕｉｔ

ＭＣＵ．Ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｃａｐＬａｉｎｓｔｈｅｓｐｅｅｄｙａｒｉｔｈｍｅｔｉｃｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｓｖｅｒｙ

ｓｉｍｐｌｅａｎｄｔｈｅｓｐｅｅｄｉｓｓｐｅｅｄｉｅｒｔｈａｎｃｏｔｎｆｆｌｏｎｄｅｓｉｇｎｂａｓｅｄＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｃｏｄｅｒ；ｆｏｕｒｆｏｌｄ

ｏｎ

ＭＣＵ．

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ＭＣＵ；ｓｐｅｅｄｙ

ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

０引言

增量式光电编码器是一种高精度的角位置测量传

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。

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一，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

图ｌ

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

１倍频与鉴向原理

如图ｌ所示，编码器正转时。ＡＢ相电平状态的变

化顺序为：００一１０—１ｌ枷ｌ—００…；编码器反转时，变

化顺序为：００—叭一１１一１０—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

收稿日期：２００７—１０—１６

作者简介：王子博（１９８６一）。男，珏宁大连人，大连理工大学电子信息工程学院学生，（Ｅ—ｎｍｉｌ）ｄｌｗｄ弓＠１６３．ｃｍｕ。

万方数据　

・控制与检测・

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００一１１，０１—１０，

１０—＇０ｌ，１１堋这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相后一个ＡＢ相组成散转电平状态电平状志地址向量处理内容

（记为＾０８０）

（记为ＡｌＢｌ）

（二进翩）

ｏｏｏｏ００００状态无变化，不处理ｏｏＯｌ０００１输出反转脉冲Ｐ—ｏｏ１０

００１０

输出正转脉冲Ｐ＋００

Ｉｌ

００ｌｌ

异常状态，不处理０ｌ

０００１００输出正转脉冲Ｐ＋０ｌ０１０１０ｌ状态无变化．不处理０ｌ１０

０１ｌＯ

异常状态．不处理０ｌ１１

０１１ｌ

输出反转脉冲Ｐ—１０００１０００输出反转脉冲Ｐ一１００ｌ１００ｌ

异常状态．不处理１０１０

１０１０状态无变化，不处理１０

ｌｌ

１０ｌｌ

输出正转脉冲Ｐ＋ｌｌ∞

１１００异常状态．不处理１１

Ｏｌ１１０１输出正转脉冲Ｐ＋ｌｌ

１０１１１０输出反转脉冲Ｐ—ｌＪ

ｌｌ

ｌＪｌ】

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２ｔＬｓ，可见其处理速度是相当快的。

２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

・７４．

万

　

方数据组合机床与自动化加工技术

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ＡＴｔｉｎｙｌ３．结合ＡＴｔｉｎｙｌ３：罐。薹陡

Ｖｃｃ

反荽譬鞫器嚣耀瓣

１

Ｌ＿——矗４ｌ油６脯信号

图３

ＡＴｔｌｎｙｌ３接线图

由于Ａｕｉｎｙｌ３单片机仅用于倍频鉴向，没有别的本文提出的高速算法，对任何一款（下转第７８页）

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ＩＮＴＯ与ＩＮＴｌ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Ｉ，反转时位置量减Ｉ。

上述高速算法，可构成硬件电路非常简单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。

任务，因此可采用反复循环扫描ＡＢ相电平状态的方式。Ａｔｆｉｎｙｌ３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２斗ｓ的时间，相当于５００ｋＨｚ的响应速度。而Ａｔｔｉｎｙｌ３单片机的价格约为５元，可见这是一个电路简单、成本低廉设计方案。而Ａｔｔｉｎｙｌ３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。

３结束语

・工艺与装备・

组合机床与自动化加工技术

加工中一＆－ｒ步排序原则，把生成的ＮＣ代码排序，生成

数控程序。为了提高编程效率，程序前后格式以固定格

式在系统中规定好，结果如下：

００００１；Ｎ０１０

Ｇ９２ＸＯＹ０Ｚ３５：

Ｎ０２０Ｔ０１Ｍ０６：

Ｎ０３０Ｃ９０ＧＳＯＣＡ３ＣＯＯＺＩＯ：Ｎ０４０￥６００Ｍ０３；

Ｎ０５０Ｇ９９Ｇ８１Ｘ３０Ｙ５０Ｚ一５Ｒ３Ｆ１２０：

Ｎ０６０

ＧＳＯＣＯＯＺ１００；

图５选择加工方式界面

射成ＮＣ代码的参数值做准备，如图６和图７所示。

Ｎ４３０Ｔ１１Ｍ０６：

Ｎ４４０Ｚ１０ｓ２６０Ｍ０３：Ｎ４５０Ｇ９９Ｇ８４Ｘ３０Ｙ５０Ｚ一３１Ｒ３Ｐ１００Ｆ２６０：Ｎ４６０

ＧＳ０Ｇ００Ｚ１００；

Ｎ４７０Ｍ３０；

４结论

本文基于特征技术开发了液压集成块数控编程原型软件系统。采用面向制造的特征映射技术，实现液压集成块单个设计特征的加工映射和代码映射，然后进行单特征规划，实现工步重组及排序，自动生成程序

图６确定刀具及切削参数界面

代码，用于数控机床加工。应用实例表明了本系统可快速生成液压集成块的ＮＣ加工代码。并便于工艺设计人员对ＮＣ程序进行人机交互式的快速、便捷地编辑和修改，系统既可以实现液压集成块ＮＣ加工代码的快速生成，又具有良好的适应性和可编辑性。

［参考文献］

【１］熊壮，喻道远，段正澄．液压集成块ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的设计

与研究［Ｊ］．华中理工大学学报，１９９９，２７（８）：２７—２９．［２］牛文铁，刘玲，高卫国．基于特征的液压集成块ＣＡＰＰ系统

建模［Ｊ］．天津大学学报，２００７，４０（５）．

［３］陆兵．Ｈ型锶数控火焰切割机床数控编程系统的开发［Ｊ］．

图７确定加工参数界面

机床与液压．２００５（３）：７７—７８．（４）ＮＣ代码的生成与排序：根据前面对特征的选［４］ＦｅｉｎｅｔＤ，Ｄ嘲“Ｐ，Ｃ，ｅｎｄｒｅａｕ

Ｍ．Ｔｒａｖｅｌｉｎｇｓａｌｅｓｍａｎｐｒｏｂｌｅｍｓ

取，并设定加工方法以确定相应的Ｇ代码，以及设定相ｗｉｔｈｐｒｏｆｉｔｓ．ＴｒａｒｍｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ［Ｊ］．２００５，３９（２）：１８８—

应代码的参数值后，映射成ＮＣ代码及参数值。根据

２０５．

（编辑赵蓉）

（上接第７４页）单片机都是有效的。由于指令少速度计【Ｊ］．机械与电子，２００６（１２）：９—１１．

快，即使对运行速较慢的５１系列单片机，也可以取得［２】韩壮志，李伟，王田苗，等．光电码盘四倍频分析［Ｊ］．电子

较好的效果。对采用单片机进行四倍频鉴向的设计，技术应用，２０００（１２）：３８一加．

具有很好的参考价值。

［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．［参考文献］

［４］ＡｔｍｅｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＡＴｔｉｎｙｌ３数据手册［Ｓ】．１９９７．

［１］许理，赵英俊．基于单片机的增量式光电编码嚣接口的设

（编辑李秀敏）

・７８・

万　

方数据

编码器四倍频电路的单片机高速算法设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

王子博， WANG Zi-bo

大连理工大学,电子信息工程学院,辽宁,大连,116023

组合机床与自动化加工技术

MODULAR MACHINE TOOL & AUTOMATIC MANUFACTURING TECHNIQUE2007，(11)0次

参考文献(4条)

1. 许理. 赵英俊 基于单片机的增量式光电编码器接口的设计[期刊论文]-机械与电子 2006(12)2. 韩壮志. 李伟. 王田苗 光电码盘四倍频分析[期刊论文]-电子技术应用 2000(12)

3. 王立锦. 刘亚东. 焦让 磁旋转编码器四倍频电路分析与集成化设计[期刊论文]-电子器件 2005(06)4. Atmel Corporation ATtiny13数据手册 1997

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