HENGSTLER基于CAN總線的編碼器檢測模塊設計

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的提高，各種傳感器的使用也在增加。作為一種速度和位移反饋傳感器，HENGSTLER旋轉編碼器主要用于需要運動速度和位移信息反饋的自動控制場合，例如CNC機床、高精度閉環(huán)速度控制系統(tǒng)、伺服電機、異步電機、步進電機、電梯曳引機、，電梯門電機，甚至機械軸，確保機器的高精度和穩(wěn)定運行，提高生產(chǎn)效率，確保安全運行。

針對亨士樂編碼器在工業(yè)領域的應用，本文基于LPCI768硬件平臺，設計了一種具有高精度分析、形成和解碼電路的編碼器采集模塊，可以同時對兩個編碼器的輸入信號進行分析和解碼。處理后的旋轉信號由高性能處理器捕獲并進行數(shù)字濾波。編碼器還計算兩個編碼器信號的角速度，末端模塊通過CAN總線將獲取的旋轉位置和角速度值傳輸?shù)紻PU（分布式處理單元），以供工業(yè)部門使用。

1、HENGSTLER旋轉編碼器

HENGSTLER旋轉編碼器是用于測量旋轉部件運動的傳感器。這是一種傳感器，它將旋轉的機械位移轉換為電信號，并在處理信號后顯示位置、速度等。所謂的編碼實際上是將旋轉角度的信息轉換成可由單片機讀取的電信號的過程。根據(jù)工作原理，旋轉編碼器可分為三種類型：接觸式、光電式和電磁式。}根據(jù)輸出信號的形狀，它可以分為兩種類型：增量型和絕對值型。其中，增量式編碼器是業(yè)內最常用的旋轉編碼器。

增量編碼器包括碼盤、發(fā)光元件、接收元件和信號處理部分。當軸旋轉時，它驅動碼盤旋轉，從而使光柵線透明，間隙不透明。發(fā)射的光被接收元件接收并輸入到信號處理部分以產(chǎn)生脈沖信號輸出。輸出信號通常包括A相和B相（相差90°）。一些編碼器還輸出每轉零脈沖Z作為機械參考零點。當主軸順時針旋轉時，通道A是通道B之前的信號；當主軸逆時針旋轉時，通道A的信號位于通道B之后，可用于確定主軸是向前旋轉還是向后旋轉。

2、CAN總線

CAN總線（控制器局域網(wǎng)）是世界上使用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線最初由德國博世公司于1983年為汽車應用開發(fā)，屬于現(xiàn)場總線類別。隨著CAN總線的不斷改進和發(fā)展，它已被國際標準化組織采納為國際標準。

CAN總線是一種串行多主通信總線。基本設計規(guī)范要求高比特率和高干擾安全性，并且可以檢測發(fā)生的錯誤。當信號傳輸距離達到10km時，它仍然可以提供高達5kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。根據(jù)iSO標準，CAN協(xié)議有兩種類型：IS011898標準和IS011519標準。它們之間的區(qū)別在于物理層的定義不同。ISOll898是一種CAN高速通信標準，通信速度為125kb/s--1Mb/s，而ISOll519是一種通信速度低于125kb/s的CAN低速通信標準。

3、硬件設計

HENGSTLER編碼器根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，本文選用了NXP公司生產(chǎn)的LPCI768處理器。該處理器是基于ARMCortex-M3內核的32位處理器。它具有3條流水線和哈佛結構，具有獨立的本地指令和數(shù)據(jù)總線，以及用于外圍設備的功率稍低的第三條總線。同時，它還包括一個支持隨機翻譯的內部預取單元，其工作頻率可達100MHz。LPCI768處理器的外圍組件包括高達512 kB的閃存、64 kB的數(shù)據(jù)存儲器、4個通用定時器、8通道12位ADC、10位DAC、電機控制PWM、4個UART、2個CAN通道、具有獨立電池電源的超低功耗RTC和多達70個通用I/O引腳。圖1顯示了編碼器檢測模塊的完整框圖。


圖1編碼器檢測模塊總框圖

3.1 CPU

根據(jù)芯片手冊，LPCI768可以選擇內部RC振蕩器或主振蕩器作為系統(tǒng)的時鐘源。由于內部RC振蕩器的精度不能滿足CAN總線通信的要求，并且主振蕩器的頻率范圍可以在1MHz到25MHz之間工作，因此選擇12MHz晶體振蕩器和22pF電容器以形成皮爾斯振蕩器作為主振蕩器的時鐘源。由于系統(tǒng)不使用芯片的A/D模塊，VDDA可以與VDD一起連接到3.3V。每對VDD和GND引腳之間應連接一個0.1uF的去耦電容器。同時，JTAG和通信引腳通過10k上拉電阻連接到VDD，以提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3.2編碼器部分采集

當HENGSTLER旋轉編碼器用于角度定位或測量時，搖動旋轉軸會導致旋轉編碼器輸出軸形狀的抖動，從而導致錯誤計數(shù)的現(xiàn)象。在這種情況下，波形無法正確計數(shù)。該系統(tǒng)使用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來消除編碼器輸出脈沖信號的抖動。圖2顯示了一個編碼器傳感電路。


圖2編碼器檢測電路中的電路

根據(jù)電路分析，如果旋轉編碼器正向旋轉，則F1輸出脈沖序列，如果旋轉解碼器反向旋轉，則R1輸出脈沖序列。


圖3編碼器檢測電路仿真波形

CAN總線3.3的通信部分

LPC1768處理器支持CAN 2.0B規(guī)范，并與IS011898-1標準兼容。在此基礎上，本文選擇飛利浦半導體公司生產(chǎn)的PCA82C250芯片作為CAN總線收發(fā)器。通信匹配電阻為120，i1，CAN收發(fā)器電路如圖4所示。


圖4 CAN收發(fā)器

3.4電源

LPC1768的工作電壓為3.3V，而CAN收發(fā)器和編碼器檢測電路的電壓為5V。因此，首先使用MC33063將相關電路的輸入電壓降至5V，然后使用LM1117-3.3V將5V電壓降至3.3V作為處理器的工作電壓。電路見圖5。


圖5電路

4、軟件設計

系統(tǒng)采用RealView MDK-ARM V4.10作為開發(fā)平臺，C語言作為主要開發(fā)語言。程序主要分為三部分：亨士樂編碼器檢測部分采用中斷模式，通過LPC1768的時間記錄單元對輸入脈沖信號進行計數(shù)；CAN通信部分還使用中斷模式來接收來自DPU或其他控制主機的命令，然后執(zhí)行相應的數(shù)據(jù)傳輸任務；主程序通過特定的調度算法完成編碼器旋轉方向的評估、角速度的計算、相應指示器狀態(tài)的設置、CAN通信過程中異常情況的處理以及狗的喂食。主程序流程圖見圖6。


圖6主程序流程圖

5、結論

本文設計的HENGSTLER編碼器檢測模塊適用于各種工業(yè)控制場所，具有廣闊的應用前景。經(jīng)過實驗室初步測試和工業(yè)現(xiàn)場測試應用，該模塊能夠滿足用戶對旋轉編碼器輸入信號處理結果的要求，能夠與現(xiàn)場控制系統(tǒng)可靠通信，工作性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，安全性高。

了解更多編碼器相關知識，敬請關注亨士樂編碼器國內正規(guī)授權代理西安德伍拓自動化傳動系統(tǒng)有限公司網(wǎng)站。公司技術團隊為您免費提供HENGSTLER編碼器的選型、安裝、調試、保養(yǎng)等技術指導服務，盡量避免企業(yè)因為編碼器技術人員的短缺帶來的損失，采取“線上+線下”服務的服務形式，幫助企業(yè)解決技術難題。