一種簡(jiǎn)單實(shí)用的測(cè)角碼盤設(shè)計(jì)方案

在測(cè)控系統(tǒng)中，角度測(cè)量是一個(gè)常見且重要的任務(wù)，特別是在需要精確控制或監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置和速度時(shí)。本文將詳細(xì)介紹一種簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低廉且易于實(shí)現(xiàn)的測(cè)角碼盤設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)闡述主控芯片在其中的作用及具體型號(hào)選擇。

一、設(shè)計(jì)方案概述

測(cè)角碼盤的設(shè)計(jì)需滿足簡(jiǎn)潔易操作、精確度高、耐用可靠等基本要求。本設(shè)計(jì)方案采用光電碼盤技術(shù)，通過(guò)光電傳感器和編碼膠片實(shí)現(xiàn)角度的精確測(cè)量。該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。

二、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基本組成

本測(cè)角碼盤主要由以下幾部分組成：

• 發(fā)光管與接收管：用于產(chǎn)生和接收信號(hào)。每個(gè)管內(nèi)包含兩套收發(fā)裝置，分別位于相互平行的平面內(nèi)。

• 編碼膠片：圓形，黑白相間且寬度相同，放置于發(fā)光管與接收管之間，可繞其軸心旋轉(zhuǎn)。

• 信號(hào)處理電路：將原始模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行進(jìn)一步處理。

• 主控芯片：負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)處理和通信。

2.2 工作原理

1. 信號(hào)產(chǎn)生：

• 發(fā)光管連續(xù)發(fā)射信號(hào)，當(dāng)編碼膠片上的黑色部分正對(duì)發(fā)光管時(shí)，信號(hào)被遮擋，接收管接收不到信號(hào)；當(dāng)白色部分正對(duì)時(shí)，信號(hào)透過(guò)膠片射到接收管上。

• 通過(guò)編碼膠片的旋轉(zhuǎn)，接收管得到兩路連續(xù)變化的正弦波信號(hào)（A信號(hào)和B信號(hào)）。

2. 方向判別：

• 由于編碼膠片寬度是收發(fā)裝置距離的兩倍，且兩收發(fā)裝置位置關(guān)系特定（如B=(0.7n+0.35)+A，n=0），當(dāng)編碼膠片旋轉(zhuǎn)時(shí)，A、B信號(hào)的變化規(guī)律不同，通過(guò)比較A、B信號(hào)的變化可以判斷旋轉(zhuǎn)方向。

3. 信號(hào)處理：

• 將接收到的正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)跟隨器處理，轉(zhuǎn)換為以+2.5V為振蕩中心的正弦波信號(hào)。

• 通過(guò)放大器將信號(hào)放大，再經(jīng)施密特觸發(fā)器整形，轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸入單片機(jī)。

2.3 材料選擇

• 編碼膠片：采用高透光性和耐磨損的材料，如聚酯薄膜，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和耐久性。

• 發(fā)光管與接收管：選擇高靈敏度和低功耗的器件，如紅外發(fā)光管和光敏二極管。

• 信號(hào)處理電路：采用集成度高、穩(wěn)定性好的電子元件，如運(yùn)算放大器、施密特觸發(fā)器等。

三、主控芯片選擇及作用

3.1 主控芯片類型

在測(cè)角碼盤設(shè)計(jì)中，主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、控制及通信等功能。常見的主控芯片類型包括ASIC（專用集成電路）、FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）和微控制器（MCU）等。針對(duì)本設(shè)計(jì)，推薦選用微控制器作為主控芯片，因其成本低、開發(fā)簡(jiǎn)便、易于集成。

3.2 具體型號(hào)及作用

以STM32F103系列微控制器為例，該系列芯片具有高性能、低功耗、豐富的外設(shè)資源和易于開發(fā)等特點(diǎn)，非常適合用于測(cè)角碼盤的控制系統(tǒng)中。

具體型號(hào)：STM32F103C8T6

作用：

1. 數(shù)據(jù)采集：

• 通過(guò)內(nèi)置的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）模塊，實(shí)時(shí)采集由信號(hào)處理電路輸出的方波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。

• 利用定時(shí)器功能，精確測(cè)量信號(hào)的周期和相位差，從而計(jì)算出編碼膠片的旋轉(zhuǎn)角度和速度。

2. 數(shù)據(jù)處理：

• 實(shí)現(xiàn)角度數(shù)據(jù)的解算和校準(zhǔn)，提高測(cè)量精度。

• 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)的濾波、平滑等處理，減少噪聲干擾。

3. 控制功能：

• 根據(jù)測(cè)量結(jié)果，控制外部設(shè)備（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）進(jìn)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

• 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4. 通信功能：

• 提供多種通信接口（如USART、SPI、I2C等），方便與上位機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制。

• 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和存儲(chǔ)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。

3.3 編程與調(diào)試

使用STM32F103C8T6微控制器時(shí)，需使用Keil MDK或IAR Embedded Workbench等開發(fā)工具進(jìn)行編程和調(diào)試。通過(guò)編寫固件程序，實(shí)現(xiàn)上述各項(xiàng)功能。在調(diào)試過(guò)程中，可利用STM32的調(diào)試接口（如JTAG或SWD）進(jìn)行在線調(diào)試和程序下載。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1 狀態(tài)編碼與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)A、B信號(hào)的相位差，可以判斷編碼膠片的旋轉(zhuǎn)方向和位置。通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)編碼和數(shù)據(jù)處理功能。具體步驟如下：

1. 初始化：

• 初始化微控制器的內(nèi)部寄存器和外設(shè)（如ADC、定時(shí)器、通信接口等）。

• 設(shè)置工作模式和通信參數(shù)。

2. 數(shù)據(jù)采集：

• 定時(shí)采集A、B信號(hào)的數(shù)字值。

• 計(jì)算信號(hào)的周期和相位差。

3. 狀態(tài)編碼：

• 根據(jù)A、B信號(hào)的相位關(guān)系，判斷編碼膠片的旋轉(zhuǎn)方向和位置。

• 將旋轉(zhuǎn)方向和位置信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字編碼。

4. 數(shù)據(jù)處理：

• 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、平滑等處理，提高數(shù)據(jù)精度。

• 根據(jù)應(yīng)用需求，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理。

4.2 通信與顯示

• 實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)或其他設(shè)備的通信功能，實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。

• 設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面（如LCD顯示屏），顯示測(cè)量結(jié)果和系統(tǒng)狀態(tài)信息。

五、應(yīng)用實(shí)例與驗(yàn)證

將本設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于某型轉(zhuǎn)達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)上，用于連續(xù)采集空中飛行目標(biāo)的方位角和高低角。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地測(cè)量目標(biāo)參數(shù)，滿足系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤的需求。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整編碼膠片的精度和信號(hào)處理電路的參數(shù)，可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

六、結(jié)論與展望

本文介紹了一種簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低廉的測(cè)角碼盤設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理、主控芯片選擇及作用、軟件設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容。該設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。未來(lái)，可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法，提高測(cè)量精度和響應(yīng)速度，以滿足更高精度的角度測(cè)量需求。同時(shí)，也可以探索將其他先進(jìn)技術(shù)（如機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)等）引入測(cè)角碼盤設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)更加智能化、自動(dòng)化的測(cè)量與控制。