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1、*基金项目： 苏州市科学技术局应用基础研究计划项目（SYG201248) 多总线式光电编码器的设计与应用 * 卜树坡 1，邹潇2，孟桂芳1，程磊1 （1. 苏州工业职业技术学院电子与通信工程系，苏州215104； 2. 河海大学理学院，南京211100） 摘要： 介绍一种新型多圈绝对值光电编码器的结构及原理，设计了基于DSP 芯片的数据接口与多总线式协议 转换装置，给出了软硬件设计方法，使其适应不同现场总线的工业应用领域。实现了对风电控制系统变桨电 机转子旋转速度和位置的精确测控。 关键词： 现场总线；光电编码器；DSP；变桨距系统；协议转换 中图分类号 ：TM933 文献标识码 ：B 文章编
2、号 ：1001-1390（2014）00-0000-00 Design and Application of Multi-Bus Photoelectric Encoder Bu Shu-po 1，Zou Xiao2, Meng Gui-fang1，Cheng Lei1 (1.Department of Electronic and Communication Engineering, Suzhou Institute of Industrial Technology, Suzhou 215104, China. 2. College of Science, Hohai University,
3、 Nanjing 211100, China) Abstract: The structure and principle of a novel multi-turn absolute optical encoder are introduced, and the data interface and multi-bus protocol conversion device based on DSP are designed. The design method of hardware and software is given, which can suit industrial appli
4、cations with different field buses. The precise measurement and control of rotational speed and position for pitch rotor in wind power control system is hereby realized. Key words: field bus, photoelectric encoder, DSP, pitch system, agreement conversion 0 引言 现代化工业生产要求高精度测量和高可靠性运 行。绝对值光电编码器是直接输出数字量的
5、传感器， 具有位置唯一性、抗干扰性、记忆性等优点，广泛 应用于工业系统中角度测量和定位控制 1。 多圈绝对 值编码器虽然将测量范围扩大到单圈编码器的几百 倍甚至上千倍，但其双盘片的结构，造成系统结构 复杂、体积增大、成本上升 2,3 , 为此设计了一种新 颖的多圈绝对值编码器。另外，随着现场总线技术 在实际工业生产中的广泛应用，针对不同总线间的 数据协议互不兼容，不同数据协议的设备不能挂接 到其它总线网络中去等问题 4 ， 设计了可实现与同步 串行 (SSI)通讯协议、PROFIBUS 以及 MODBUS三种 目前应用最为广泛的总线协议相兼容的接口装置， 以扩展编码器的应用领域。 1 基本结构
6、与原理 本文设计了一种结构新颖的多圈绝对值编码 器，由单圈绝对值编码器和多个带有两个码道的减 速齿轮组成。图1 为单圈绝对值编码器的结构图。 遮光板 光源 光电器件 轴 码盘 图 1 结构图 Fig. 1 Structure diagram 在一个码盘上，刻有规则的多个码道，从抗干 扰的角度考虑，通常采用格雷码的编码格式，其主 要优点是输出数字量每次只跳变一位，因此可检测 出错误的跳变数据。对于减速齿轮，均采用相同的 结构，如图2 所示。 大齿轮 小齿轮 (a)齿轮原理图 (a) Principle diagram of a gear *基金项目： 苏州市科学技术局应用基础研究计划项目（SYG
7、201248) 主轴 倒向 齿轮 (b)各齿轮位置图 (b) Position diagram of the gears 图 2 新型编码器结构原理图 Fig. 2 Structure and principle diagram of the new encoder 每个齿轮上带有两道格雷码形式的码道，以及 减速比为4： 1的大小两个齿轮。这相当于将多圈的 码盘分散到多个齿轮上，节省一个多码道码盘。通 过设计相应的光电发送/接收电路，即可实现多圈的 数据输出。对于可记录圈数为256 的编码器，所需 的齿轮数由下式得到： 4256 N (1) 由上式计算得：4N 通过上述分析，编码器的新型结构具
8、有位置的 多圈不重复测量，抗干扰，节省码盘，缩小体积等 特点。 2 信号处理与协议转换 所设计的协议转换与接口装置工作原理如图3 所示。 码盘输出的数字信号 标准数据格式SSI PROFIBUSMODBUS 协 议 类 型 及 地 址 选 择 图 3 数据接口及协议转换装置原理图 Fig. 3 Schematics of the device for data interface and protocol conversion 装置接收光电编码器发出的数字信号，经整形、 校正等信号调理过程后，转换成标准的数据格式， 再 转 换 成SSI 通 讯 协 议 、 MODBUS协 议 以 及 PROF
9、IBUS协议，在硬件电路中设计各总线的物理 接口电路，即可实现编码器与多总线的兼容 5 。 其中SSI 协议是高精度绝对值编码器中一种较 常用的数据传送协议。它采用主机主动式读出方式， 即在主控者发出的时钟脉冲的控制下从最高有效位 开始同步传送，其通讯协议的时序图如图4 所示。 MODBUS 总线采用主从式通讯方式，其数据格式如 图 5(a)所示， 每组数据包括起始帧、地址帧、 功能码 和数据帧以及CRC 校验帧。每一帧数据的通讯协议 采用 ASICII 中定义的通用串行通讯协议。传送波特 率在 120038400 之间可选。 PROFIBUS 是一种不 依赖于厂家的开放式总线标准，采用多主从
10、结构， 可方便地实现集中式、分散式和分布式控制系统。 PROFIBUS-DP是为高速设备分散控制或自动化控 制而设计的，特别适用于可编程控制器与现场级分 散 I/O 设备之间的通信，具有可靠性高、 性能优、 实 时 性 好 及 其 独 特 设 计 等 优 点 6,7 。 本 装 置 采 用 PROFIBUS-DP 协议，主站与从站之间的请求数据以 及响应数据形式如图5(b)所示，报文数据规范包括起 始区、地址区和数据区，如图5(c)所示。 nn-1n-221 LSBMSB t1 t2 t3 T nT 数据 时钟 图 4 SSI 通讯协议时序图 Fig. 4 SSI protocol timin
11、g diagram 请求帧 设备地址 功能代码 数据段 错误检测 响应帧 设备地址 功能代码 数据段 错误检测 (a) MODBUS 起始区地址区数据区 从 站 主 站 起始区地址区数据区 请求帧 响应帧 立 即 响 应 *基金项目： 苏州市科学技术局应用基础研究计划项目（SYG201248) (b) PROFIBUS 的协议规范 命令区参数区过程数据区 请求 地 址 数 值 控制参考值 响应查询返回值 (c)PROFIBUS 的数据区帧格式 图 5 总线协议数据格式 Fig. 5 Data format of bus protocol 3 系统设计 3.1 硬件结构 系统硬件结构如图6 所示
12、。 DSP 芯片采用 TMS320LF2407A作为主控芯片，其主频最高可达 40MHz 8。编码器的接口与 IO 口相连， 通过读取IO 口状态来获取各个码盘的当前值。采用拨码开关的 硬件方式设置地址以及选择具体的通讯协议。SSI 采 用 IO 口模拟的方式，MODBUS硬件接口电路直接 与DSP 内 部 的 串 行 通 讯 接 口 (SCI) 相 连 ， 对 于 PROFIBUS协议，采用西门子公司的从站专用协议 转换芯片SPC3，将串行数据转化为并行数据，再通 过 DSP 的并行外设接口进行通讯。各个协议的物理 硬件接口电路芯片均为485 芯片。 码盘接口 信号调理 DSP 拨码 开关
13、SSI 接口 PROFIBUS 接口 MODBUS 接口 时钟 与复 位电 路 通讯 协议 芯片 SPC3 SCI接口IO 接口 芯片 接口 芯片 并 行 通 讯 接 口 接口 芯片 图 6 编码器接口硬件结构图 Fig. 6 Interface hardware configuration diagram of the encoder 3.2 光电发送 /接收电路 新型编码器通过设计一个通用光电发送/接收电 路，即可实现多圈的数据输出 9 。为减少了单缝狭缝 这种空间光阑，对红外光电元件发光和接收元件的 光电特性要求较高，同时由于编码器空间位置和尺 寸大小的要求对元件大小要求也苛刻 10 ，
14、因此采用 新型的光电元件SE2460和SD2440。光电接收元件接 收的信号经过放大、整形后形成方波信号再进入单 片机处理。图7为编码器的信号放大电路，其中电阻 R1将编码器上光敏接收元件的电流信号转换为电压 信号，放大器 N2和电阻 R2、R3组成放大电路，小信 号由 IN_A1 输入，经放大后由OUT_A1 输出。图 8为 A1信号的整形电路，OUT_A1 信号经比较器LM139 转换为方波信号，再经锁存器CD54HC573 及数据总 线送入单片机处理,经译码并计算出编码器角度值。 R2 Y 3 V + 4 G N D 1 1 IN+ 3 IN- 2 N2A R1 R3 LM 124 AJ
15、/883 OU T_ A1 IN _A1 图 7 信号放大电路 Fig. 7 Signal amplifying circuit Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 D0 2 D1 3 D2 4 D3 5 D4 6 D5 7 D6 8 D7 9 VCC 20 GND 10 LE 11 CE 1 D2 CD54ACT573F3A Y 3 GND 7 A READ 1 B ADDRESS 2 VCC 14 D1A SNJ54HC32J LATCH A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 DATA0 DATA1 DATA2 DATA
16、3 DATA4 DATA5 DATA6 DATA7 DATA07 COMP IN- 1 6 IN+ 7 V C C 3 G N D 1 2 OUT 1 N3 A LM139J18 83 R8 10K OUT_A1 REF_1.4V 图 8 整形处理电路 Fig. 8 Plastic processing circuit 3.3 软件设计 软件程序流程如图9 所示。首先进行系统初始 化，读取码盘信号并转化为16 位数字格式，读取设 定地址值以及通讯协议选择值，根据所选择的协议 类型执行相应的协议转换程序，同时判断是否接收 到相匹配的地址，若收到则进行相应的数据传送。 同时，还可以对编码器的状态进
17、行检测，若读取信 号不正常，通知上位机，进行相应的处理，避免误 操作。 *基金项目： 苏州市科学技术局应用基础研究计划项目（SYG201248) 开始 系统初始化 读码盘信号 读地址设定值 SSI 协议？ SSI 数据输出 MODBUS 协议？ MODBUS PROFIBUS 协议？ PROFIBUS 完成？ 是 否 是 否 是 否 结束 是 否 图 9 软件流程图 Fig. 9 software Flowchart 4 实际应用 变桨距控制系统对提高风力发电系统的发电效 率和电能质量起到至关重要的作用 11 ， 如图 10 所示。 图 10 变桨电机控制图 Fig.10 Control ch
18、art of a pitch motor 图中 E1 为 A 编码器，作为速度反馈元件； E2 为 B 编码器， 作为位置反馈元件。对于 1.5 kW 风机的 变桨系统A/B 编码器均采用12 位多圈绝对值编码 器，每圈脉冲数为212 4096 P/R，即一圈可记录 4096 个绝对位置。从而达到精确的位置和角度控 制，实现快速跟踪。 5 结束语 本文所设计的多圈绝对值编码器结构简单，抗 干扰能力强，接口丰富，现场适应性良好。而基于 DSP 的多协议转换与接口装置设计方法，可以作为 标准化设计手段，针对不同接口协议的系统，只需 进行相应的设置。通过风力发电变桨距控制系统中 的实际应用，验证了信
19、息传递的可靠性，对位置和 角度控制的准确性和实时性。 参考文献 1 栾海英 , 刘学军 . 基于CANopen 协议绝对值光电编码器的伺服位置 控制的研究 J. 制造业自动化 , 2013, 35(9):151-153. LUAN Hai-ying, LIU Xue-jun. Research on Servo Position Control System Based on CANopen Protocol and Absolute Photoelectric EncoderJ. Manufacturing Automation ，2013, 35(9):151-153. 2 罗长洲 , 陈
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21、age Multiloop EncoderJ. Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）， 2009, 32(1): 8-10. 4 徐丰芹 , 徐湘元 . 网络控制系统综述J. 自动化技术与应用, 2007, 26(3):30-33. XU Feng-qin, XU Xiang-yuan. A Suvrey of the Newtorked Contorl SystemsJ. Techniques of Automation and Applications, 2007
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26、Instrument, 2010, 24(9):848-852. 11苏勋文 , 赵振兵 , 陈盈今 , 等. 尾流效应和时滞对风电场输出特性的 影响J. 电测与仪表 , 2010, 47(3):28-31. SU Xun-wen, ZHAO Zhen-bin, CHEN Ying-jin, et al. Impacts of Wake Effects and Time Delay on Output Characteristics of Wind FarmJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2010, 47(3):28-31. 作者简介
27、： 卜树坡（ 1963） ，男，汉族，教授级高级工程师，主要研究方向为控制 工程技术。E-mail: 邹潇（ 1992 ） ，女，本科生，主要研究方向为应用数学。E-mail ： 孟桂芳（ 1969） ，女，讲师，硕士，主要研究方向为电力系统控制和继 电保护。 E-mail ： 程磊（1979） ，男，助教， 硕士，主要研究方向为电子信息工程技术。 E-mail： 收稿日期： 2014-02-11；修回日期： 2014-04-14 （王艳丽编发） 联 系 人 信 息 ： 卜 树 坡 ,苏 州 工 业 职 业 技 术 学 院 （215104） ，苏州市吴中大道国际教育园致能大道1 号 。 E-mail:,0512-66557761(办 ), 15506153982