一種簡單實用的測角碼盤設計方案

在測控系統中，角度測量是一個常見且重要的任務，特別是在需要精確控制或監測轉動機構的位置和速度時。本文將詳細介紹一種簡單實用、成本低廉且易于實現的測角碼盤設計方案，并詳細闡述主控芯片在其中的作用及具體型號選擇。

一、設計方案概述

測角碼盤的設計需滿足簡潔易操作、精確度高、耐用可靠等基本要求。本設計方案采用光電碼盤技術，通過光電傳感器和編碼膠片實現角度的精確測量。該方案具有結構簡單、成本低、穩定性好、壽命長等優點，適用于多種應用場景。

二、硬件結構設計

2.1 基本組成

本測角碼盤主要由以下幾部分組成：

• 發光管與接收管：用于產生和接收信號。每個管內包含兩套收發裝置，分別位于相互平行的平面內。

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

• 信號處理電路：將原始模擬信號轉換為數字信號，并進行進一步處理。

• 主控芯片：負責整個系統的控制、數據處理和通信。

2.2 工作原理

1. 信號產生：

• 發光管連續發射信號，當編碼膠片上的黑色部分正對發光管時，信號被遮擋，接收管接收不到信號；當白色部分正對時，信號透過膠片射到接收管上。

• 通過編碼膠片的旋轉，接收管得到兩路連續變化的正弦波信號（A信號和B信號）。

2. 方向判別：

• 由于編碼膠片寬度是收發裝置距離的兩倍，且兩收發裝置位置關系特定（如B=(0.7n+0.35)+A，n=0），當編碼膠片旋轉時，A、B信號的變化規律不同，通過比較A、B信號的變化可以判斷旋轉方向。

3. 信號處理：

• 將接收到的正弦波信號經過跟隨器處理，轉換為以+2.5V為振蕩中心的正弦波信號。

• 通過放大器將信號放大，再經施密特觸發器整形，轉換為方波信號輸入單片機。

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，確保信號傳輸的穩定性和耐久性。

• 發光管與接收管：選擇高靈敏度和低功耗的器件，如紅外發光管和光敏二極管。

• 信號處理電路：采用集成度高、穩定性好的電子元件，如運算放大器、施密特觸發器等。

三、主控芯片選擇及作用

3.1 主控芯片類型

在測角碼盤設計中，主控芯片是整個系統的核心，負責數據采集、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（現場可編程門陣列）、DSP（數字信號處理器）和微控制器（MCU）等。針對本設計，推薦選用微控制器作為主控芯片，因其成本低、開發簡便、易于集成。

3.2 具體型號及作用

以STM32F103系列微控制器為例，該系列芯片具有高性能、低功耗、豐富的外設資源和易于開發等特點，非常適合用于測角碼盤的控制系統中。

具體型號：STM32F103C8T6

作用：

1. 數據采集：

• 通過內置的ADC（模數轉換器）模塊，實時采集由信號處理電路輸出的方波信號，并將其轉換為數字信號進行處理。

• 利用定時器功能，精確測量信號的周期和相位差，從而計算出編碼膠片的旋轉角度和速度。

2. 數據處理：

• 實現角度數據的解算和校準，提高測量精度。

• 根據實際應用需求，進行數據的濾波、平滑等處理，減少噪聲干擾。

3. 控制功能：

• 根據測量結果，控制外部設備（如電機驅動器）進行相應操作，實現閉環控制。

• 監測系統運行狀態，及時發現并處理異常情況，確保系統穩定運行。

4. 通信功能：

• 提供多種通信接口（如USART、SPI、I2C等），方便與上位機或其他設備進行數據交換和遠程控制。

• 實現數據的實時傳輸和存儲，便于后續的數據分析和處理。

3.3 編程與調試

使用STM32F103C8T6微控制器時，需使用Keil MDK或IAR Embedded Workbench等開發工具進行編程和調試。通過編寫固件程序，實現上述各項功能。在調試過程中，可利用STM32的調試接口（如JTAG或SWD）進行在線調試和程序下載。

四、軟件設計

4.1 狀態編碼與數據處理

根據A、B信號的相位差，可以判斷編碼膠片的旋轉方向和位置。通過軟件編程，實現狀態編碼和數據處理功能。具體步驟如下：

1. 初始化：

• 初始化微控制器的內部寄存器和外設（如ADC、定時器、通信接口等）。

• 設置工作模式和通信參數。

2. 數據采集：

• 定時采集A、B信號的數字值。

• 計算信號的周期和相位差。

3. 狀態編碼：

• 根據A、B信號的相位關系，判斷編碼膠片的旋轉方向和位置。

• 將旋轉方向和位置信息轉換為相應的數字編碼。

4. 數據處理：

• 對采集到的數據進行濾波、平滑等處理，提高數據精度。

• 根據應用需求，進行進一步的數據分析和處理。

4.2 通信與顯示

• 實現與上位機或其他設備的通信功能，實時傳輸測量數據。

• 設計人機交互界面（如LCD顯示屏），顯示測量結果和系統狀態信息。

五、應用實例與驗證

將本設計方案應用于某型轉達訓練系統上，用于連續采集空中飛行目標的方位角和高低角。通過實際測試，驗證該設計方案能夠準確、穩定地測量目標參數，滿足系統對目標進行連續跟蹤的需求。同時，通過調整編碼膠片的精度和信號處理電路的參數，可以進一步提高測量精度和穩定性。

六、結論與展望

本文介紹了一種簡單實用、成本低廉的測角碼盤設計方案，詳細闡述了硬件結構設計、工作原理、主控芯片選擇及作用、軟件設計等方面內容。該設計方案具有結構簡單、成本低、穩定性好、壽命長等優點，適用于多種應用場景。未來，可以通過進一步優化硬件結構和軟件算法，提高測量精度和響應速度，以滿足更高精度的角度測量需求。同時，也可以探索將其他先進技術（如機器學習、物聯網等）引入測角碼盤設計中，實現更加智能化、自動化的測量與控制。