基于光电编码器矿用转角传感器的研究|简述光电编码器式传感器的工作原理

时间：2019-04-01 03:11:29　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　光电编码器具有响应速度快、测量精度高、抗干扰能力强、体积小、工作可靠性好、非接触测量和便于控制等优点，与数字信号处理器连接，可以实现实时测量，它是自动化设备理想的传感器。
　　一、矿用转角传感器设计的总体方案
　　结合矿用环境的特殊性，并根据光学精密机械与物理研究所的单圈绝对式光电轴角编码器研究的特点，给出矿用转交传感器设计总体结构。对于矿用转角传感器的信号采集部分，主要由主轴、轴承、基座组成，发光元件组成照明系统，由线阵CCD组成的信号接收系统。对于光电编码器的光栅信号处理部分，信号前期处理电路主要包括信号采样电路和滤波电路；信号处理部分主要包括CPLD（复杂可编程逻辑器件）和信号存储单元（包括程序存储器和数据存储器）；信号输出部分主要包括并行数据接口和串行数据接口。
　　二、单圈绝对式光电轴角编码器数据采集系统的硬件结构设计
　　本文所研究的基于PCI总线的实时数据采集系统的主要功能模块包括：ADS803E模数转换模块、CPLD（EPM7128SQC100
　　-15）系统逻辑控制模块（或称核心时序控制块）、SRAM（AS7C256-15JC）静态存储器，PCI9052 PCI总线控制。采集系统会将采集到的数据自动存入卡上的静态存储器SRAM（AS7C256-15JC）中，等待采样结束后，通过PCI总线接口芯片，PCI9052将采集的数据从SRAM传输到PCI总线上，所设计的控制逻辑均由复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）来完成。其中A/D转换芯片选用ADS803E，它是TI公司生产具有高信噪比（SFR=69dB）、低功耗（115Mw）的12位ADS803E，自带32K大容量静态缓存等优点的A/D转换芯片。可以设置输入范围为2VP-P和5VP-P作为内置参考电压，并有一个输入电压范围溢出标志，采用数字误差校正技术，用于尺寸测量、光谱测试与分析、图像扫描和AD转换数据采集等。静态存储器采用AS7C256-15JC，它是Alliance Semiconductor公司生产的，最大存储访问时间为15ns，每片的存储容量为32K×8。在初始访问后，CPU处于空闲、中断或扩展模式，AS7C256处于节能状态，可节能25%，并且可以通过CE和OE进行存储扩展。系统逻辑控制模块CPLD选用EPM7128SQC100-15芯片，它是Altera公司生产的。在线编程时，该芯片可以通过4个引脚的JTAG接口进行，以便简化制作程。在本文所设计数据采集系统中，CPLD的主要功能包括：时序分频器、SRAM控制逻辑、地址控制器等等。存储器数据存储的地址控制是由地址控制器完成的。数据由A/D端口写入SRAM，地址控制器根据A/D频率产生递增的SRAM地址。
　　三、光电编码器照明与接收系统设计
　　由于单圈绝对式光电轴角编码器的接收元件有别于传统的光电轴角编码器，它是采用线阵CCD作为接收元件，根据上述原则采用了绿色发光二极管作为光源。其亮度可通过外接可调电阻来调节，同时能起到保护发光二极管组的作用，电路较为简单。NEC公司生产的μPD3575D是一种高灵敏度、低暗电流、1024像元的内置采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器，主要用于传真、扫描和OCR。在它内部，包含了一列1024像元的光敏二极管以及两列525位CCD电荷转移寄存器。在5V驱动（脉冲）和12V电源条件下，该器件可工作。为了使CCD在光强强弱不同的情况下输出信号，本文以复杂可编程逻辑器件CPLD为核心的一种新型的可提供多种驱动脉冲的驱动电路。MAX十PLUSⅡ开发环境下对μPD3575D的驱动电路进行设计。在MAX十PLUSⅡ环境下通过编译、校验后进行引脚锁定。
　　四、信号采集系统
　　本文所采用的信号采集方法是通过CCD输出的视频信号采样，量化编码后再采集到计算机系统。然后经过A/D转换模块存入静态存储器SRAM，采样结束后，通过PCI总线接口芯片，PCI9052将采集的数据从SRAM传输到PCI总线上，再通过计算机处理后给出最终结果。
　　五、数据处理系统设计
　　1．系统硬件电路设计。本设计采用C8051单片机，采用24LC01数据存储器，及MAX232数据接口芯片共同组成数据采集处理单元，采用SJA1000CAN和驱动控制器PCA80C250作为通信系统。采用爱立信DC/DC电源模块作为电源部分，将电源转换成+5V工作电压。
　　2．软件设计。系统软件设计主要实现方位角数据采集、数据处理、数据显示和CAN通信的功能。在软件设计中采用多级复位陷阱，较大地减小了死机的概率，从而提高了整个电路系统的抗干扰能力。该系统软件功能主要包括数据发送模块、数据显示模块、数据采集模块、数据处理模块、异常处理模块五部分。数据显示模块主要完成实时角度显示，数据处理模块主要完成纠错功能，数据采集模块主要完成二进制数据的编码译码功能，数据发送模块主要完成通过CAN总线的数据接收和发送，异常处理模块主要完成系统出现异常后，整个系统可软件复位。
　　参考文献
　　[1]蒋永平，徐杜，黄尚廉．圆光栅增量式光电轴角编码器性能自动检测方法[J]．工具技术．1995：29（3）：43～46

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