旋转编码器原理及增量式编码器应用解析

旋转编码器是一种测量旋转部件运动的传感器。它是将旋转的机械位移转换成电信号并处理信号来检测位置、速度等的传感器。编码是将旋转角度的信息转换成单片机可读的电信号的过程。旋转编码器有接触式、光电式和电磁式三种。根据输出信号的形式，可分为增量式和绝对式两种。其中，增量编码器是行业中常用的编码器。

增量式编码器包括码盘、发光元件、接收元件和信号处理部分。当轴旋转时，带动码盘旋转。这样，光可以透过刻线，而光不能透过隔室。发射光被接收元件接收并输入到信号处理部分，产生脉冲信号输出。输出信号一般包括A、B两相（相位差90°）。一些#编码器#还会每转输出一个零脉冲 Z 作为机械参考零。如果主轴顺时针方向旋转，则A通道信号先于B通道信号。当主轴逆时针旋转时，A通道信号落后于B通道。这样我们就可以判断主轴是正转还是反转。

CAN总线

控制器局域网是世界上广泛使用的现场总线之一。它是一种能够有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，属于现场总线的范畴。随着CAN总线的不断完善和发展，现已被国际标准组织采纳为国际标准。

CAN总线是一种多主串行通信总线。其基本设计规范要求较高的比特率和高抗干扰性，并且可以检测产生的任何错误。当其信号传输距离达到10公里时，仍可提供高达5kb/s的数据传输速率。 

硬件设计

根据系统功能要求，本文选用NXP公司生产的LPCI768处理器。该处理器是基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器。它具有3流水线和哈佛结构，具有独立的本地命令和数据总线以及用于外设的性能稍低的第三总线。同时，它还包含一个内部预取单元，支持随机旋转，工作频率可达100MHz。 LPCI768处理器的外围组件包括高达512 kB的闪存、64 kB的数据存储器、4个通用定时器、8通道12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、4个UART和2个CAN通道，具有独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个通用I/0引脚。

1、CPU部分

LPCI768可以选择内部RC振荡器或主振荡器作为系统时钟源。由于内部RC振荡器不能满足CAN总线通信的要求，主振荡器工作频率范围为1 MHz～25 MHz，因此我们选择12 MHz晶振和22 pF电容组成Pierce振荡器作为主振荡器。主振荡器时钟源。由于本系统中没有使用芯片的A/D模块，所以VDDA可以与VDD一起连接到3.3V。每对 VDD 和 GND 引脚之间应连接一个 0.1uF 去耦电容。同时，JTAG和通信引脚通过10k上拉电阻连接到VDD，以提高信号传输的稳定性。

2、旋转编码器采集部分

当旋转编码器用于角度定位或测量时，转轴的晃动可能会引起编码器输出波形的抖动，从而可能导致误计数。在这种情况下，我们无法正确计算波形。本系统采用单稳态触发器来消除旋转编码器输出脉冲信号的抖动。

旋转编码器采集电路中的一种方式

从上述电路可以看出，当旋转编码器正转时，F1输出脉冲序列，当旋转编码器反转时，R1输出脉冲序列闭合。

旋转编码器采集电路仿真波形

3、CAN总线通讯部分

LPC1768处理器支持CAN 2.0B规范，并兼容IS011898-1标准。本文选用飞利浦半导体公司生产的PCA82C250芯片作为CAN总线收发器。通讯匹配电阻为120，i1。

CAN收发器电路

4、电源部分

LPC1768的工作电压为3.3V，CAN收发器和旋转编码器采集电路部分的电压为5V。因此首先使用MC33063将输入电压降低至5V，供相关电路使用。然后通过LM1117-3.3V将5V电压降为3.3V，作为处理器工作电压。

电源电路

旋转编码器充当速度和位移反馈的传感器，主要应用于数控机床、高闭环调速系统、伺服电机、异步电机、步进电机、电梯曳引机、电梯门机等，可保证机械的高稳定运行，从而提高产量效率并确保安全运行。