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一種簡單實用的測角碼盤設計方案
摘要：介紹一種制作簡單、價格便宜、應用面廣的測角碼盤設計方案；并以碼盤信號的產生、處理和傳輸為主線，詳細說明工作原理，進而再次證明其簡單便宜的突出優點。測控系統中，經常用到采集各種角度參數或對轉動機構進行測速的角度傳感器。目前，市場上一些具有成熟技術的角度傳感器有自增角機、電位器、
碼盤、霍爾元件和齒輪計數器等。這些產品中，有的精度很高，但價格昂貴，有的價格便宜，但結構復雜，往往難于同時滿足結構簡單、價格便宜的要求。本文介紹一種光電碼盤設計方案，硬件結構非常簡單、成本價格十分便宜，而且穩定性好、使用壽命長，又能滿足多數情況下的精度要求。
1 工作原理
1.1 原始信號的產生
（1）信號產生原理
圖1是碼盤產生原始信號的原理示意圖。
本碼盤用于采集信號的器件是一對發光管和接收管，每個管內有兩套收發裝置。其功能實現過程為：在發光管和接收管之間放一圓形黑白相間且寬度相同的編碼膠片，使三者分別處于相互平行的平面內，將發光管和接收管中心對正，并使編碼膠片可以繞其軸心旋轉。
上電后，發光管會連續不斷地發射信號，但由于膠片是黑白相同的，所以當黑色部分正對發光管時，發光管發出的信號將被阻擋，使接收管接收不到信號；而當白色部分正對發光管時，發光管發出的信號將透過膠片射到接收管上。這樣，在接收端就得到兩路連續變化的正弦波。
（2）方向判別原理
圖2為原理示意圖。
編碼膠片寬度是收發裝置距離的兩倍，兩收發裝置位置關系應滿足B=(0.7n 0.35) A，圖中n=0。
同理，當膠片向右轉動時，A、B信號變化恰好相反。這樣，通過A、B信號不同的變化規律實現對方向的判別。
1.2 信號處理
圖3是碼盤信號處理電路圖。
該電路的主要任務是將產生的原始模擬信號轉換為數字信號，即模數轉換。由傳感器產生的0V為振蕩中心的正弦波信號，經跟隨器處理后轉換為以 2.5V為振蕩中心的正弦波信號。通過調節電位器，使其波形達到最佳狀態，然后，經過大器將正弦波信號放大10倍。此時，由于放大的拉伸作用，被鉗位在0～5V之間的信號已具有非常陡的上升沿和下降沿，最后經施密特觸發器整形后，以方波形式輸給單片機。其波形關系如圖4所示。
1.3 信號控制及傳輸
圖5為控制傳輸電路圖。
這部分主要通過軟件編程實現對信號的處理。硬件結構包括信號處理芯片AT89C2051、信號傳輸芯片75176和相應的復位電路。其中，復位電路采用由MAX813L芯片組成的看門狗電路。正常工作時，由89C2051為其定時提供觸發信號，不產生復位；若發生錯誤，則在距上次觸發信號1.6s后，該電路會自動產生復位信號，對89C2051進行復位。
信號處理電路產生的方波信號A、B由端口Px.m和Px.n輸入，然后通過軟件比較端口現在時刻和下一時刻的狀態變化，實現功能選擇。最后，通過端口Px.k控制的串行通信 芯片75176傳給主控板，實現信號的控制傳輸。
2 軟件設計
2．1 狀態編碼
由圖4可知，A、B信號的相位相差1/4個周期，所以可得圖6所示的狀態變換圖。
若規定順序時針方向計數器為加，逆時針方向計數器為減。
這樣，通過不同狀態值的變換就可對數據進行加操作、減操作和不操作，從而實現對信號的連續處理功能。
2．2 軟件編程
軟件流程如圖7所示。
主要可分為以下幾部分。
①上電開始后，軟件首先對AT89C2051的內部寄存器和RS422串行口進行初始化。通過對專用寄存器的賦值，設定工作狀態和通信 方式，串行通信的波特率為9600b/s。
②初始化完成后，軟件將檢測端口Px.m和Px.n的狀態，程序用兩位記錄端口相鄰狀態值，左一位代表前一狀態，右一位代表當前狀態，然后通過帶進位的左循環指令進行狀態更新。通過狀態值變化，查表2，跳轉進入執行程序。
③在執行程序中，可根據不同需要設定上下限進行數據處理。同時，由于處理程序很少，執行時間短，串行通信部分可采用查詢方式完成。
3 應用實例
把該設計應用到筆者開發的項目
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