编码器精度软件提高方式

bloong · 发表于 2014-4-8 21:08:16

增量式旋转编码器（见图1）是一种控制系统中常见的转角测量装置，常见的转角测量装置，常被安装在各种旋转轴末端，以测量轴转角。它输出如图2所示的两路相位差90°的脉冲（以下简称A路、B路）指示位置。旋转编码器每转过一定角度，就输出一个脉冲。当旋转编码器顺时钟旋转时，A路脉冲超前B路脉冲90°；当旋转编码器逆时针旋转时，A路脉冲滞后B路脉冲90°。计算脉冲个数可以获知转角，根据相位差可以知道旋转方向，从而计算出旋转轴相对角度的变化。

旋转编码器内部一般由极细的光栅条纹与光电检测装置构成。通常将一圈内光栅条纹数目称为“线”来表示分辨率，例如“1000线”的编码器，旋转一圈能输出1000个脉冲。受到光线衍射效应的影响，光栅条纹上限一般是每2500条左右。这限制了旋转编码器的分辨率，很难超过2500线。

为了提高编码器的分辨率，普通采用电子4细分方法。两路脉冲相差90°，一个周期内两路信号共会出现两次上升沿与两次下降沿，4个沿均匀分布在一个周期内。取4个沿作为旋转检测判据，可以将分辨率提高4倍。在2500线的旋转编码器上，能够实现1/10000圈的角度检测分辨率。图3是对编码器输出波形进行细分的原理，编码器顺时针旋转，输出两个脉冲，再逆时针旋转，输出两个脉冲。4细分后能检测出编码器顺时针旋转8步，再逆时针转8步。

      早期控制系统中，4细分常用硬件电路来实现。为了节省成本与电路板面积，本例要求在MSP430单片机上用软件来实现旋转编码器4细分逻辑，并将转角值保存在全局变量内。
      这是典型的时序逻辑问题，可以很方便地用状态机建模。先分析状态。一个脉冲周期内，脉冲A与脉冲B的电平总共有4种组合：“A=1  B=0”、“A=0  B=0”、“A=0  B=1”、“A=1  B=1”。将这4种组合分别称为状态1、2、3、4（见图4）。编码器旋转时，依次在这4种状态之间跳变。引发状态转移共有4种事件：A下降沿、A上升沿、B下降沿、B上升沿。根据时序图，先用语言描述状态变化规律：
   在状态1时，遇到A下降沿，变为状态2，同时角度计数加1
   在状态2时，遇到B上升沿，变为状态3，同时角度计数加1
   在状态3时，遇到A上升沿，变为状态4，同时角度计数加1
   在状态4时，遇到B下降沿，变为状态1，同时角度计数加1
   在状态4时，遇到A下降沿，变为状态3，同时角度计数减1
   在状态3时，遇到B下降沿，变为状态2，同时角度计数减1
   在状态2时，遇到A 上升沿，变为状态1，同时角度计数减1
   在状态1时，遇到B上升沿，变为状态4，同时角度计数减1
再根据语言描述，画出状态转移图（见图4），可以发现当编码器顺时钟旋转时，状态也按照顺时针方向转移，每次状态转移时让角度变量增加。反之逆时针转移时，让转角变量递减。

MSP430单片机的I/O口能设置为上升沿或下降沿中断，用两个I/O口（P1.4、P1.5）检测A脉冲，用两个I/O口（P1.6、P1.7）检测B脉冲。如图5所示。其中P1.4与P1.6设为下降沿中断、P1.5与P1.7设为上升沿中断。首先初始化4个I/O口：
P1IES  |= BIT4+BIT5 ;          //P1.4、P1.6设为下降沿中断
P1IES  &=~(BIT4+BIT5);          //P1.5、P1.7设为上升沿中断
P1IE |=BIT4+BIT5+BIT6+BIT7;    //允许P1.4567中断
P1IFG = 0;                      //避免第一次误动作
_EINT();                      //总中断允许

在4个中断内进行状态转移处理与计数即可实现4细分程序。利用中断触发也同时保证了检测的实时性：

Int EncoderCnt= 0;             //旋转角度计数值，全局变量，供其他程序访问
Unsigned charEncoderStatus = 1； //旋转时序状态变量

Pragma vector =PORT1_VECTOR    //P1口中断源
__interruptvoid P1_ISR( void )    //声明一个中断服务程序，名为P1_ISR();
{
_BIC_SR(SCG0);             //如果从LPM3唤醒，恢复时钟准确性
If（P1IFG&BIT4）    //-------------------A 下降中断（P1.4中断入口）-------------//
               {
                        If (EncoderStatus ==1) { EncoderStatus = 2; EncoderCnt++ ;} //A 下沿，1->2
                        If (EncoderStatus == 4) { EncoderStatus= 3; EncoderCnt-- ;}  //A 下沿，4->3
               }
If（P1IFG&BIT5）    //-------------------A 上升中断（P1.5中断入口）-------------//
               {
                        If (EncoderStatus ==3) { EncoderStatus = 4; EncoderCnt++ ;} //A 上沿，3->4
                        If (EncoderStatus == 2) { EncoderStatus= 1; EncoderCnt-- ;}  //A 上沿，2->1
               }
If（P1IFG&BIT6）    //-------------------B 下降中断（P1.6中断入口）-------------//
               {
                        If (EncoderStatus ==4) { EncoderStatus = 1; EncoderCnt++ ;} //B 下沿，4->1
                        If (EncoderStatus == 3) { EncoderStatus= 2; EncoderCnt-- ;}  //B 下沿，3->2
               }
If（P1IFG&BIT7）    //-------------------B 上升中断（P1.7中断入口）-------------//
               {
                        If (EncoderStatus ==2) { EncoderStatus = 3; EncoderCnt++ ;} //B 上沿，2->3
                        If (EncoderStatus == 1) { EncoderStatus= 4; EncoderCnt-- ;}  //B 上沿，1->4
               }
P1IFG = 0；                                  //清楚P1口中断标志位
__low_power_mode_odd_on_exit();          //退出唤醒CPU（如果主程序需要唤醒）
}

在每个中断内，根据当前状态处理状态转移，并改变EncoderCnt变量的值。在软件的其他任何位置，只要访问EncoderCnt变量即可获知被测量转轴的当前转角。