李逸楠　孫麗君　孫鳳鳴　王玉敬　崔建飛

摘 要：設計了光電編碼器與TMS320F28335之間的接口電路，編程實現(xiàn)了SSI同步串行接口協(xié)議，以及實現(xiàn)了光電編碼器格雷碼位置信息的讀取并轉換為二進制碼參與后續(xù)位置控制運算。經(jīng)實驗驗證，通過TMS320F28335的GPIO讀取的編碼器位置信息準確，40 μs內(nèi)可完成一次25 bit的位置信息讀取，分辨力為5'16"。該系統(tǒng)適用于絕大部分需要監(jiān)測位移、角度、速度、角速度的場合，具有讀取速度快、精度高、價格低、適用范圍廣的優(yōu)點。

關鍵詞：TMS320F28335；光電編碼器；格雷碼；SSI同步串行接口

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.023

在電機控制領域，如果需要精確控制負載的位置，就必須測得負載的當前位置，然后與目標位置進行比較，根據(jù)差值確定電機的控制策略。因此，準確地檢測出負載位置是一切控制手段的前提。光電編碼器是測量旋轉運動、角速度的傳感器，可與機械測量設備一起使用，例如絲杠，測量直線運動。應用領域包括電機、機床、印刷機、木工機器、紡織機器、機器人和運送設備以及各種測量、測試和檢驗設備。光電編碼器測得的位置信息通常通過SSI同步串行總線與控制器進行數(shù)據(jù)交換。TMS320F28335本身具有SPI同步串行總線接口，協(xié)議與SSI總線類似，但其數(shù)據(jù)寬度僅為16 bit，對于多圈數(shù)高精度的光電編碼器（通常為25 bit）無法直接連接使用。本文介紹了一種基于TMS320F28335的光電編碼器驅動方案，可以讀取任意數(shù)據(jù)長度的光電編碼器位置數(shù)據(jù)，同時具有讀取速度快、精度高、價格低、適用范圍廣的優(yōu)點。

1 簡介

1.1 光電編碼器簡介

本系統(tǒng)采用了海德漢公司的EQN425絕對式光電編碼器，采用SSI接口。該編碼器為多圈式，讀出的位置信息為25 bit，其中高12位為圈數(shù)，低13位為絕對位置，數(shù)據(jù)格式見表1.

編碼器采用28.5 V直流供電，編碼器通過一路差分信號接收輸入的CLOCK信號，在CLOCK信號的驅動下，通過一路差分信號輸出位置信息。提供了升序旋轉方向切換和置零接口，可以通過編程隨時切換。

1.2 TMS320F28335簡介

TMS320F28335是32位高性能浮點數(shù)字信號處理器，是近年美國TI公司推出的一種新產(chǎn)品。該芯片具有很強的信號處理及控制功能，具有單精度浮點運算單元和高精度PWM，與定點DSP相比增加了DMA功能，可將ADC轉換結果直接存入DSP的任一存儲空間，有外部存儲器擴展接口、看門狗和3個定時器，采集精度高，抗干擾能力強。運行頻率為150 MHz。

2 硬件接口設計

光電編碼器符合RS-485傳輸協(xié)議，采用差分信號進行傳輸。采用28335的GPIO55作為時鐘輸出，經(jīng)過ISO7221CD隔離，經(jīng)MAX490EESA轉換為光電編碼器可用的差分信號。在時鐘信號驅動下，光電編碼器的位置信息通過DATA+與DATA-輸入MAX490EESA轉換，經(jīng)隔離后輸入28335的GPIO56。28335的GPIO57作為升序旋轉方向切換控制輸出，GPIO58作為置零輸出。如有需要，可以與光電編碼器相應接口連接，如圖1所示。

3 軟件設計

首先進行GPIO55、GPIO56的初始化，代碼如下：

EALLOW； //Enable EALLOW

GpioCtrlRegs.GPBMUX2.bit.GPIO55 = 0； //配置為基本輸入輸出功能，光電編碼器輸出時鐘

GpioCtrlRegs.GPBMUX2.bit.GPIO56 = 0； //配置為基本輸入輸出功能，光電編碼器數(shù)據(jù)輸入

GpioCtrlRegs.GPBDIR.bit.GPIO55 = 1； //GOIO55方向為

輸出，編碼器輸出時鐘

GpioCtrlRegs.GPBDIR.bit.GPIO56 = 0； // GOIO56方向為輸入，編碼器數(shù)據(jù)輸入

EDIS； //Disable EALLOW

接著對GPIO55的輸出電平進行編程，模擬輸出時鐘時序，在下降沿之后讀取GPIO56的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的移位、拼接，得到光電編碼器輸出的格雷碼。代碼如下：

Uint32 m_Rec_Data_Gray = 0； // 光電編碼器輸出格雷碼

long int m_Rec_Data_Bin = 0； // 轉換之后的二進制碼

void Rec_SSIData（void）

{

Uint32 in_data = 0；

int i；

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIO55 = 1； //拉高

DELAY_US（0.5）； //延遲0.5 μs

GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIO55 = 1； //置低

DELAY_US（0.5）； //先發(fā)出一個下降沿，通知光電編碼器準備輸出數(shù)據(jù)

for（i=24；i>=0；i--） // 進入正式讀數(shù)循環(huán)。該型號光電編碼器為25位，因此進行25次循環(huán)

//讀數(shù)。如果其他光電編碼器位數(shù)不同，則可以改變循環(huán)次數(shù)。

{

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIO55 = 1； //56 is high can read

DELAY_US（0.5）；

GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIO55 = 1； //56 is low

in_data=GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIO56； //讀數(shù)

m_Rec_Data_Gray|=（in_data<

DELAY_US（0.5）；

}

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIO55 = 1； //56 is high， last high

m_Rec_Data_Bin = （long int）（GrayToDecimal（m_Rec_Data_Gray））； //轉換

}

其中，GrayToDecimal（）函數(shù)為格雷碼轉換為二進制數(shù)函數(shù)，代碼如下：

static Uint32 GrayToDecimal（Uint32 x）

{

Uint32 y；

y = x；

while （x>>=1）

{

y^=x；

}

return y；

}

4 試驗驗證

將上述硬件連接完畢，代碼燒錄完畢，上電。采用示波器觀察GPIO55與GPIO56信號波形，可以看到時鐘信號與數(shù)據(jù)信號如圖2所示。

在圖2中，波形1為讀出數(shù)據(jù)，波形2為輸出時鐘信號。可以看到，輸出時鐘脈沖周期為1.4 μs，讀出25位數(shù)據(jù)用時40 μs，讀出的位置數(shù)據(jù)格雷碼為“1 0010 0101 1011 1011 0001 0110”，轉換成二進制碼為“1 1100 0110 1101 0010 0001 1101”，轉換為十進制數(shù)為29 807 133.在此基礎上，將光電編碼器旋轉一圈，讀數(shù)變?yōu)?9 811 229，相差4 096.該實驗表明此型號光電編碼器最小量化單位為360/4 096=0.088°，即分辨力為5'16"。需要注意的是，雖然此光電編碼器用戶手冊上說明讀出格雷碼的低13 bit為絕對位置值，但在實際使用中它并不能達到標稱的精度，相當于經(jīng)過格雷碼轉換為二進制之后，只有低12 bit代表了實際位置值。其量化精度比標稱值降低了一半。

5 結論

采用TMS320F28335作為控制核心，設計了硬件接口電路與驅動軟件，可以適用于任意數(shù)據(jù)寬度的光電編碼器位置信息的讀取。經(jīng)實驗驗證，光電編碼器旋轉一圈讀數(shù)變化4 096.該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有讀取速度快、精度高、價格低、適用范圍廣的優(yōu)點。

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〔編輯：劉曉芳〕