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在电缆生产线上，通常需要检测电缆的走线速度，用来控制收线电机的转速和计算线缆的长度。成缆工艺参数的稳定，直接关系到电线电缆的质量。
该项目是为某电缆厂的技术改造项目，要改造的设备是利用束线原理制造的盘绞式成缆机，改造的内容是更换全部电气控制系统。这种成缆机的放线盘固定，而收线盘固定在盘绞架上同时完成绞合和收线的双重运动。工作时，在线缆盘直流电机的带动下，完成电缆的收线运动，在排线电机的带动下实现电缆在收线盘的整齐排列。在大盘电机的带动下，通过齿轮箱带动盘绞架实现轴向旋转，完成电缆绞合运动，是保证节距的关键。线速度是由收线盘的旋转速度决定的，如果收线电机的转速恒定，收线盘随着收线轴的变粗，线速度会增大，因此，为保证收线速度恒定，要逐渐降低收线电机的转速。
1 系统设计原理
根据电缆的生产工艺要求，不同型号的电缆，其走线速度是恒定的。通常，电缆的运行速度是由电缆带动 来检测的。电缆线速度测速示意图如图1所示。
该项目中，采用的旋转编码器的型号是TRDJ1000系列，旋转一周输出1 000个脉冲。因此，根据在一定时间内检测到的脉冲数，就可以计算出电缆的走线速度。实际应用中，将其与一加工精度极高、周长为500 mm的旋转编码器测量主动轮与旋转编码器同轴安装，主动轮与电缆接触。在电缆生产运动过程中，依靠摩擦力拉动测量轮旋转，这样就把电缆的直线位移(长度)转化为旋转编码器的脉冲数字信号输出。
设旋转编码器每旋转一周，其计数脉冲个数为NP(脉冲个数／转)，则旋转编码器角分辨率(单位：(°)／个)为：
假定固定在旋转编码器转轴上的主动导向轮半径为r m，则旋转编码器位移分辨率(单位：m／个)为：
Ps=27πr／NP
这时，若计数脉冲个数为N(个)，则由旋转编码器测量的位移量S(单位：m)为：
线缆走线速度V(单位：m／s)为：
式中：T为接收N个脉冲所用的时间(单位：s)。
2 硬件 原理
该检测电路以AT89C 为控制核心，如图2所示，旋转编码器输出的脉冲，经过电平转换，变成O～5 V的TTL电平脉冲，送到AT89 C51 的外部中断INT0端。每收到一个脉冲，单片机中断一次，同时计数脉冲存储器加1，与标准脉冲值比较后，单片机的P0口输出给定值数字量，再经过D／A转换变成给定值模拟量，送给收线电机调速器，控制电机转速。这里的D／A转换芯片采用8位数据输入，四路模拟量输出的TLC7226IDW。如果需要提高电机转速控制精度，可以选用其他10位、12位数据输入的D／A转换芯片。
工作时，当收线电机带动电缆运动时，带动旋转编码器的主动轮旋转，从而旋转编码器旋转，输出脉冲。该脉冲送入 ，进行隔离、整形、电平转换，送给AT89C51的12脚，外部中断INTO进行脉冲计数。每接收到一个脉冲，单片机执行外部中断INT0子程序一次，脉冲计数存储器加1。例如，每间隔1 s读取一次，从而可以根据计数脉冲的个数，与标准脉冲数比较，因此，可以判断当前线速度的大小。
线速度的计算方法如下：
例如，要求线速度V为0．1 m／s。
旋转编码器每秒输出脉冲数=V·Np／C
其中：C为旋转编码器主动轮周长(单位：m)。所以，线速度为O．1 m／s时，旋转编码器每秒输出标准脉冲数=0.1×=200个/s。
3 软件设计
在 中运行，在计时子程序中，每秒执行一次。即查询每秒收到的脉冲数是否与标准脉冲相同。该线速度控制子程序如图3所示。
首先，读脉冲计数存储器的数值，与标准脉冲数比较，等于标准脉冲，脉冲计数存储器数值清零，说明此时走线速度等于标准速度；若大于标准脉冲数，说明线速度大于标准线速度，因此，必须使调速器给定值减1，使得收线电机转速减低；若小于标准脉冲数，说明线速度小于标准线速度，必须使调速器给定值加1，使得收线电机转速增加，从而形成闭环线速度控制反馈系统，控制收线电机旋转速度，使得线速度保持恒定。
根据电缆成缆机的工艺要求，设计了单片机与旋转编码器组成的闭环线速度控制系统，并给出了主要控制程序的设计方法。还可以通过软件实现线缆走线长度的检测以及运行时间的计算等功能，并通过显示屏显示出来。上述线速度控制系统已成功应用在实际的技术改造中，为企业节约了近百万元的技术改造资金。结果表明，该系统具有运行稳定可靠、电路简单、测量精度较高、成本低等特点，完全满足电缆生产工艺要求，其简洁的电路设计和典型的控制方法具有较高的参考价值。
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基于FPGA的速度和位置测量板卡的设计与实现
[导读]摘要：针对增量式光电编码器经典速度测量算法M/T法低速采样时间过长和位置测量算法精度不高的问题，本文基于定采样周期M/T法设计实现了速度和位置测量板卡。采用Xilinx公司的XC3S400
FPGA为核心控制芯片进行设计，并
摘要：针对增量式光电编码器经典速度测量算法M/T法低速采样时间过长和位置测量算法精度不高的问题，本文基于定采样周期M/T法设计实现了速度和位置测量板卡。采用Xilinx公司的XC3S400
FPGA为核心控制芯片进行设计，并设计PC104总线接口实现板卡与控制器的数据通信。该板卡接收处理光电编码器的反馈脉冲得到速度和位置参数，将数据通过PC104总线接口传递给控制器。实验表明，板卡的最小采样时间达到1ms，并且位置测量精度可达5&10-3。本文引用地址:
增量式光电编码器作为速度和位置传感器被广泛应用于伺服系统。理论上，光电编码器反馈脉冲的频率对应被测轴转速，反馈脉冲个数的累加值对应位置信息。经典的速度测量方法有M法、T法和M/T法3种：其中M法通过计取固定时间间隔内光电编码器的反馈脉冲数计算当前转速，适用于高速场合;T法利用高频脉冲测量相邻反馈脉冲的时间间隔计算当前转速，适用于低速场合;M/T法不仅测量固定时间间隔内反馈脉冲的增量值，而且计数该时间内的高频脉冲数。虽然M/T法克服了M法和T法测速范围有限的缺点，在高速和低速段都具有较高的分辨率及较低的测速误差，但是存在低速采样时间过长等问题。经典的位置测量方法按转向的正负对反馈脉冲进行增减计数，然后将计数值乘以脉冲当量K得到当前位置信息，可见其测量精度取决于脉冲当量。
本文以定采样周期M/T法为基础，它解决了经典M/T法低速检测时间过长的问题，保证每一固定周期都能采样到数据。此外，该算法充分利用反馈脉冲的位置信息和时间信息，得到了比一个脉冲当量K更为精确的位置信息。本文利用FPGA设计实现定采样周期M/T法，并设计PC104总线接口满足板卡与控制器数据通信的要求。
1 总体方案
速度和位置测量板卡接收光电编码器的反馈脉冲信号，通过差分电路将其转换为单端信号消除共模干扰，然后在FPGA中对脉冲处理得到速度和位置参数，最后将参数通过PC104数据接口传递给控制器。速度和位置测量板卡除差分电路以外的功能均通过FPGA设计实现(如图1所示)，因此FPGA是本板卡的核心芯片。速度和位置测量板卡主要包括倍频辨向模块、定采样周期M/T法模块和PC104数据接口模块。
1. 1 倍频辨向模块
光电编码器的输出反馈脉冲包括相位差90&的A、B信号以及零位脉冲Z。A、B之间的相位关系标志被测轴的转向，即A相超前B相90&表示正转，滞后90&表示反转;Z脉冲起到参考零点的作用。一个周期内A、B两路信号的相对位置变换了4次，即正转A、B按00-10-11-01循环输出，反转遵循00-01-11-10的规律。倍频辨向模块通过检测A、B信号的状态变化输出四倍频及方向信号，不仅提高了速度和位置测量的精度，还起到抗干扰的作用。
1.2 定采样周期M/T法模块
定采样周期M/T法模块分为速度测量电路和位置测量电路两部分，图2给出了该算法的硬件原理及时序图。定采样周期M/T法对高频脉冲fc两级锁存的设计确保实际检测起始点Tk超前于采样周期Tn，这解决了M/T法在低速时检测时间过长的问题，保证每个采样周期内都能成功采集到数据。
速度测量硬件电路由速度计数器及其数据锁存器Cm，以及高频脉冲计数器及其两级数据锁存器Cf和Ct构成;其中速度锁存器Cm和高频脉冲锁存器Ct由采样脉冲触发，辅助高频脉冲锁存器Cf由反馈脉冲触发。通过差分处理得到当前周期Tn内的转速增量Cm和高频脉冲增量Ct，并设高频脉冲的频率为fc，脉冲当量为K，那么计算可得转速为：
Vn=KxfcxCm/Ct
位置测量硬件电路同样采用高频脉冲的两级锁存设计，除此之外还包括位置计数器及其数据锁存器Cmm，以及辅助位置锁存器Ctt。由图2可知，dTn-1和dTn这两个时间差所对应的位置变化小于一个脉冲当量K，位置测量算法将上述时间差内的位置变化加入到位置信息中，提高了位置测量的分辨率和精度。dTn通过差分当前周期辅助位置锁存器Ctt和脉冲锁存器Ct得到，接着将dTn乘以速度值Vn可得位置变化。位置锁存器Cmm计取了反馈脉冲的变化值，再加上dTn-1和dTn内位置变化，便能计算出精确的位置信息。
dTn=(Ctt(n)-Ct(n))/fc
S=KxCmm+VnxdTn-Vn-1xdTn-1
2 各个模块Verllog实现
根据速度和位置测量板卡的总体设计方案，利用Verilog设计实现各模块。
2.1 倍频辨向模块
本模块在FPGA系统时钟clk上升沿检测A、B的电平，并与上一clk记录的状态进比较：当状态变化符合00-10、10-11、11-01、01-00时，表明A超前B相90&，并且A或B产生一个边沿跳变，此时光电编码器正转那么置1方向信号，同时输出一个计数脉冲，这样一个周期内将产生4个计数脉冲实现了四倍频;当变化对应00-01、01-11、11-10、10-00时，标志A滞后B相90&，光电编码器反转则清零方向信号，并输出一个计数脉冲;当变化符合00-00、01-01、10-10、11-11时，说明光电编码器处于换向阶段，或者对应正反转的中间状态，此时保持方向信号并且不输出计数脉冲;当变化为00-11、01-10、10-01、11-00时，说明A、B信号受到干扰而产生了错误的状态翻转，此时保持方向信号并且不输出计数脉冲，达到了抗干扰的目的。
2.2 定采样周期M/T法模块
分析定采样周期M/T法模块可知，它主要由计数器和锁存器组成，其中计数器对脉冲个数进行计数，得到的计数值存于锁存器中等待数据接口模块读取。
按计数方式的不同，计数器又可细分为增计数器和可逆计数器。其中高频脉冲计数器和速度计数器都采用增计数，在检测到计数脉冲有效时加1计数值。位置计数器采用可逆计数的方式，在计数脉冲有效时通过方向脉冲决定采取增或减计数。由于对增量式光电编码器的反馈脉冲计数只能获得转台的相对位置，因此在计数器断电或控制系统上电之前，都要对计数器所存数值进行校正，即归零。为了实现归零操作，计数器除可逆计数外还需具备清零以及置数等功能。
锁存器在采样脉冲T有效时，锁存当前数据供接口电路读取，其中采样周期大小取决于控制器对速度和位置的读取频率。考虑到数据读取的安全性，控制器读操作前必须首先完成各锁存器的数据锁存工作，即通过控制器对板卡的写信号产生采样脉冲T触发锁存器的锁存工作。
本模块设计了4个双字锁存器暂存速度和位置参数，因此开辟4个双字的I/O地址空间。控制器对I/O地址的读操作实现锁存器数据的读取，写操作为板卡提供清零、置数及采样脉冲等信号。
2.3 PC104数据接口模块
PC104总线是一种专为嵌入式控制而定义的工业控制总线，它具有小尺寸结构、抗震性极佳的堆栈式连接、低功耗总线驱动等优点，广泛应用于机载设备的开发中。此外，它是一个8位和16位兼容的总线，本模块采用8位总线方式，采用以下总线信号完成通信设计：SD7～SD0：数据信号;SA9～SA0：地址信号;AEN：地址使能信号;IOR：I/O读信号;IOW：I/O写信号;电源信号。
在PC104系统中，为防止I/O地址冲突，每个模块都必须有一个单独的基地址。速度和位置测量板卡采用10位地址译码，基地址通过板卡上的基地址跳线器进行设置。PC104数据接口采用I/O读写方式进行通信，利用状态机设计实现本模块如图3所示。S0为空闲状态，此状态为初始状态，一旦控制器对板卡进行操作，则进入S1状态。S1状态记录控制器的地址、数据以及控制信号，并判断控制器的操作类型。如果是读操作进入S2状态，若是写操作则进入S3状态。在S2状态中，将对应地址的数据给到数据线，完成读操作。在S3状态，将数据写入对应地址中，完成写操作。读操作或者写操作完成之后，状态又重新回到S0，等待控制器下次读写。
下面结合PC104的信号说明各状态的作用。S0状态检测地址使能信号AEN，当AEN有效并且地址信号SA的高位与基地址一致，说明控制器对本板卡操作，则激活S1状态。S1状态记录地址信号SA的低4位和数据信号SD，并判断读信号IOR或写信号IOW是否有效。当IOR有效说明目前进行读操作进入S2状态，而IOW有效表明当前为写操作进入S3状态。S2状态对地址进行分支选择确定欲读取数据的地址，输出对应地址的数据完成读操作。S3状态将数据写入到对应地址完成写操作。
3 测试平台与仿真测试
用ISE软件编程实现各模块的功能，用ModelSim对其进行仿真测试，图4为仿真结果。由图可知，输入的A、B信号模拟正转、反转及干扰三种状态，正转和反转下每周期都将输出四个脉冲，并且正转方向信号置1，反转清零，而在干扰信号下不输出计数脉冲，并且方向信号保持不变。速度计数器在计数脉冲有效时计数，位置计数器根据方向信号对计数脉冲做增减计数，速度锁存器Cm、位置锁存器Cmm在采样周期有效时锁存速度和位置值。辅助高频脉冲锁存器Cf及高频脉冲锁存器Ct对高频脉冲进行两级锁存，保证实际采样点超前于采样周期，保证每个周期下都能采样到数据。
设计完成的速度和位置测量板卡如图5所示，FPGA采用Xilinx公司的XC3S400，控制器部分选用盛博公司的SAT-1040板卡。使用36000刻线的增量式光电编码器，高频脉冲由40
MHz晶振提供，最小采样周期可达1ms，在测量范围内速度、位置测量精度分别达到3x10-5、5x10-5。
文中以FPGA为核心控制芯片设计实现了速度和位置测量板卡，它以定采样周期M/T法为基础对光电编码器的反馈脉冲处理得到表征速度和位置的参数，通过PC104总线接口将数据传递给控制器计算得到精确的速度和位置信息。整个设计在FPGA内完成，故硬件结构简介，可靠性强，抗干扰能力强;板卡的最小采样时间达到1
ms，确保每一周期下都能采样到可靠数据，并将位置测量精度提高至5x10-5。
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基于Labview的旋转编码器转角及转速测量仪的设计
第30卷 第3期
2008年6月三峡大学学报(自然科学版) J of China T hree Go rg es U niv. (N atural Sciences) V ol. 30N o. 3Jun. 2008基于Labview 的旋转编码器转角及转速测量仪的设计
张 力(三峡大学机械与材料学院, 湖北宜昌 443002)
摘要:在分析了旋转编码器的工作原理的基础上, 设计了其测量仪的信号调理电路, 提出了传感
器、调理电路、数据采集卡和计算机之间的连接方案, 在Labview 软件平台上编制转角及转速的测
量程序, 设计的虚拟仪器较传统仪器能缩短开发周期, 并且具有测量精度高、硬件电路简单、性能
可靠和功能可扩展的特点.
关键词:旋转编码器;
转角和转速测量;
Labview 软件;
中图分类号:TH 824
文献标识码:A
文章编号:08) 03 0067 03
Design of an Instrument for Measuring Angle and
Speed of Rotary Encoder Based on Labview
(Co lleg e of M echanical &M aterial Engineering, China T hr ee Gor ges U niv. , Yichang 443002, China) Abstract
Based on analysis o f the m easuring principle of rotary enco der, a conditioning cir cuit of ins method o f connecting ro tary enco der, conditioning circuit, DAQ card and c and prog ram of measuring ang le and speed is pro vided. T his virtual instrument desig ned based o n Labv iew has som e merits compared w ith traditional one, such as precision testing, fine reliability, econom ical cost and short developm ent period, flex ible functional
ex tensio n, etc..
m easuremen
virtual instrument
Labview 是美国NI 公司推出的基于计算机软、
硬件的虚拟仪器开发软件. 虚拟仪器利用计算机强大
的图形环境和运算能力, 与功能化硬件模块结合起
来, 建立虚拟仪器面板, 代替传统仪器的使用方式, 提
高了仪器的功能和效率.
使用虚拟仪器技术设计以旋转编码器为传感器
的测量仪, 可实现对被测物体转角和转速的实时监
测, 为进一步分析和处理测量数据构建了一个灵活和
可扩展的软硬件平台. 机械转角转化成脉冲信号的传感器. 由于脉冲的个数与转角量成正比关系, 因此被测物体的转角信息可通过脉冲计数得到, 同时转速信息, 可通过测量脉冲的频率来获得. 根据旋转编码器测量原理, 绘制的其虚拟仪器硬件框图见图1.
1 基于Labview 的旋转编码器测量仪
[1]的硬件设计
旋转编码器是一种通过光电转换将被测物体的
通讯作者:张 力(1970-) , 男, 副教授, 硕士, 主要研究方向为机电一体化技术. 图1 基于L abv iew 的旋转编码器转角及转速测量仪的硬件框图
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