基于单片机的引俄雷达光电编码器试验检测平台设计∗

2018-11-26柳颖

舰船电子工程 2018年11期

柳颖

（海军七〇二厂上海 200434）

1 引言

光电编码器是一种旋转式位置传感器，在现代伺服系统中广泛应用于角位移或角速率的测量，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动，能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲【1】。光电编码器分为绝对式和增量式两种类型。增量式光电编码器具有结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点，应用更为广泛。某引俄雷达传动装置分机中就是使用了增量式光电编码器。该编码器将天线指向的角度信号转换成四路脉冲信号提供给中央控制分机的天线转角增量组件，用来控制扫描装置和中央处理器。实际使用过程中，由于光电编码器工作环境差、作业时间长，出现的故障频率较高且部件脱离系统后修理难度大。因此提出研制某引俄雷达光电编码器试验检测平台的需求。待测试的光电编码器能便捷地安装在检测平台中，检测平台能模拟雷达天线的正常运转工况，提供待测件所需的工作电源，通过液晶屏直观显示每路输出信号在一个周期内的脉冲个数。

2 光电编码器的原理及其在雷达中的运用

2.1 增量式光电编码器的工作原理

增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。增量式光电编码器结构示意图如图1所示。它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成［1］。在图形的主码盘（光电盘）周边上刻有间距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为大。当光电码盘随工作轴一起转动时，光线透过光电码盘和光栏板狭缝，形成忽明忽暗的光信号。光敏元件把此光信号转换成电脉冲信号，通过信号处理电路后，向系统输出脉冲信号［6］。

2.2 增量式光电编码器在雷达中的应用

增量式光电编码器送出的四路脉冲信号经控制分机中的天线旋转角增量部件处理得到粗略的、中等的和精确的脉冲序列，用来控制扫描装置和中央处理器。天线转动一周，精确方位产生器输出4096个增量脉冲，该增量脉冲由扫描装置脉冲计数器计数，大约每隔4分根据计算结果形成一个地址单元，用于从只读存储器相应单元提取扫描转角正余弦代码，从而形成扫描的角度增量。

该型雷达光电编码器的码盘用不锈钢薄板制成，圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。透光槽在码盘圆周上等分，数量固定为n。假如光电码盘的编码数位1，在时间t内测量到的脉冲数为N，则转速n=60N（/t*1）［11］。码盘上的编码数量越多，测量精度也随着越高。光电编码器的工作电源为12V，工作时输出的四路脉冲信号（A，B，C，D），使用双踪示波器测试的波形图如下：图2中黄色波形为C路，蓝色波形为D路；图3中黄色波形为A路，蓝色波形为C路；图4中黄色波形为A路，蓝色波形为B路。

分析上述波形图，可得出以下结论：

1）D路脉冲频率最低，天线一分钟转10圈，D路一分钟内有10个脉冲输出，脉宽400ms±40ms；

2）在两个D路脉冲之间，C路脉冲有32个输出，脉宽2.5ms±0.5ms；

3）在两个C路脉冲之间，A路脉冲有32个输出，脉宽2.5ms±0.5ms；

4）A路和B路的输出脉冲个数路同，相位差为90°。

3 光电编码器检测平台设计

通过对光电编码器的安装和转动方式的研究，以雷达正常工作时采集的信号为依据，理清光电编码器输出各波形间的工作原理及特征关系。研制的光电编码器检测平台能实现如下功能：

1）在检测平台中，光电编码器的安装方式与实际装备相同；

2）检测平台能模拟雷达天线的正常运转速度；

3）检测平台能提供电机工作及光电编码器工作所需的多路直流电源；

4）检测平台能直接显示四路脉冲信号在一个周期内的脉冲个数。

3.1 系统方案

引俄雷达专用光电编码器检测平台的系统方案如图5所示。主体部分为试验台架，有2个试验筒，可同时安装2个光电编码器，以便于进行信号比对；齿轮及直流电机、减速箱组成的传动部件；电源部件；脉冲计数及显示电路部分。

3.2 硬件组成

1）试验台架

试验台架材质选取铝合金；机械结构减速比16：1，直流电机采用齿轮减速传动。检测装置设计两个光电编码器安装试验筒，每个试验筒以轴套连接的方式固定光电编码器。

2）电源部件

电源部件将输入的交流220V电压转换成光电编码器检验检测装置所需的三路直流电压。24V直流电压用于直流电机；12V直流电源供光电编码器工作；5V电压供单片机计数及显示电路。

3）脉冲计数电路

选用用低功耗单片机MSP430F169为该部分电路的核心。该电路能对光电编码器的四路输出脉冲信号在天线转动一周的时间周期进行脉冲计数并上传给顶盖板上安装的液晶显示屏，直观显示。MSP430系列单片机是TI公司推出的一种16位的单片机【2】。由于它具有较高的集成度，丰富的片内外设、超低功耗等优点，在许多领域都得到了广泛的应用。

MSP430F169型单片机含有定时器A（Timer_A）和定时器B（Timer_B），它们是检测装置程序设计的核心。定时器有3个相同的捕获/比较模块为实时处理提供了灵活的控制手段。每个模块都用于捕获事件发生时间或产生定时时间间隔【3】。每发生一次捕获或定时时间间隔，捕获/比较模块寄存器将产生中断。

检测平台需要对每路输出脉冲进行计数，在设计中采用定时器的捕获/比较模块。又因为信号间两两相对关系明确，因此只需要单片机同时计两次脉冲数，便能将四路信号正确与否判别出来。如D路信号与C路信号的测量：D路信号频率慢，C路信号频率快。可以使用Timer_A的捕获/比较通道1来实现。定时器的结构图如图6所示，因为定时器时钟源可以选择来自内部时钟（ACLK、SMCLK）或外部时钟源，所以将外部的频率快的C信号作为捕获/比较模块的时钟源，将频率慢的D信号作被捕获信号，即用C信号捕获频率慢的D信号。在硬件连接中，将C路信号接至MSP430F169的P2.1口，将D路信号接至Timer_A的捕获/比较输入端P1.2口。

中断服务程序的流程图如图7所示。而另一对信号的测量可以采用定时器B（Timer_B）来实现，选A路信号和C路信号为一组，其中频率快的A路信号为捕获/比较模块的外部时钟，频率慢的C路信号为被捕获信号。

4）显示电路

串口屏是一种集成化的显示器件，不仅集成了彩色TFT液晶显示屏，同时自带CPU处理器、数据存储器以及触摸屏等输入器件，具备液晶显示功能、数据存储、串口通信及触控输入等多种功能［5］。计数值的显示采用串口TFT彩屏实现，显示内容为：A相（B相）脉冲个数，C相脉冲个数，D相脉冲个数。串口屏使用方便，无需更改核心控制代码，只需在原来的代码基础上增加串口发送和接收函数，即可实现彩屏显示。单片机MSP430F169与串口显示屏的硬件连接关系见图8所示。所有串口屏都必须先将所要显示的图片按一定的顺序或编号保存到串口屏的内部存储器中。图片的编排设计是在串口屏厂家提供的编辑软件中进行，编排好后生成相应的配置文件并下载到串口屏中［5］。

MSP430F169的通用串行同步/异步（USART）是一个串行通信接口，它允许7位或8位串行位流以预设的速率或外部时钟确定的速率移入、移出MSP430。USART接口支持两种不同的串行协议：通用异步协议（UART协议）和同步协议（SPI协议）［2］。在检测平台的设计中采用异步（UART）协议方式发送脉冲数值给串口屏［12］。发送脉冲数值时需要将脉冲数值分解为个位和十位，并转换为字符发送出去［8］。