步进电机运动控制系统设计(四)

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

　　本次设计用绝对式编码器其原理

　　绝对编码器是直接输出数字量的传感器，它的圆形码盘上沿径向有若干同心磁道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点
1) 可以直接读出角度坐标的绝对值；
2) 没有累积误差；
3) 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。

　　4.6电源电路设计

    本次设计用了+5V、+12V电源，采用的是78系列的集成固定三端稳压管。78系列集成稳压器输出稳定，漂移小，精度也比较高。其内部也有完善的保护电路。它有风部过流保护，保证输出电流部会超出最大允许值；它有内部热保护电路，如果输出管的结温达到允许的最大值，它会知道减小输出电流；它内部还有工作区限制电路。使稳压器的工作台不进入不安全区。因此，它的可靠性高。另外，它只有三条引脚，移位输入，移位输出，移位公共端，使用起来很简单。

变压

   电源变压器将220V的交流电压变为所需的交流电压值。因为在整流、滤波和稳压电路中有一定的压降，所以要使输出电压比所需电压高2V~3V。

　　2.整流

   整流电路将交流电压变为脉冲的直流电压，常用的整流电路有单相半波，全波，桥式和倍压整流电路。这里采用单相桥式不可控整流电路。

　　3.滤波

   滤波电路用于滤去整流输出电压中的波纹，一般由电抗元件组成。如要负载两端并联电容或与负载串联电感L。以及C和L组合而成的各种复式滤波电路。因为电容滤波电路简单，负载直流电压较高，波纹较小，所以我们采用的是电容式滤波。

　　4.稳压

   稳压的作用电当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。本设计采用三端集成稳压器，常用的是7800系列和7900系列。前者是三端固定正输出集成稳压器，后者是三端固定负输出极集成稳压器，整流后的输出波形与纯直流相差甚远，须经滤波才能作直流电源用。最常用的元件是电容。整流输出的电压升高时，输出的电流一面供给负载应用，一面给滤波电容充电。当整流输出电压开始下降时，电容向负载放电以维持输出电压，总的输出电压波形就平滑得多。

220V，50HZ的交流电压变压后，输出+15V左右的交流电压其频率仍为50HZ，交流信号经桥式整流电路进行全波整流，然后，经电解电容滤波。最后，经CW7805（三端固定稳压器）输出的便是一个平稳的+12V的直流电压信号。电容C4和C5的作用是滤高频波和抑制自激振荡。

　　4.7抗干扰设计

   由于系统中不可避免会从外界引入干扰，影响系统的控制精度，使系统的稳定性变差，故采用了硬件和软件抗干扰措施。

干扰对微机的作用可分为四部分

　　①输入系统：它使模拟信号失真，输入数据信号出错。

　　②输出系统：使各输出信号混乱，不能反映微机系统的真实输出量。从而导致一系列严重的后果，同时，还把现场的高电压设备与主机隔离，防止出现高频干扰现象。

　　③微机控制的内核，使三总线上的数据信号混乱，CPU得到错误的数据信息，使运算操作数失真。

　　④电源系统：我们设计所采用的芯片都由直流稳压电源供电。这些直流稳压电源都是由220伏转化而来，有可能产生波动现象。使电源的压降上升或下降，对主机运行产生干扰。

　　2.本次设计采用的硬件抗干扰措施有

　　①在电路排列方面，模拟电路和数字电路之间集中在一起，器件之间尽量缩短距离减小寄生电容。

　　②在线路设计中，将所有器件的模拟地线和数字地线都区分开，两者的地线不要混乱，分别与电源地线相连。

　　③电源系统的干扰大部分是高次谐波，然后接稳压器件，以保持电源稳定。

　　④采用分散独立功能模块供电，在每块系统功能模块上用集成三端固定稳压器如7805、7812、7815、7915等稳压源，而且也减少了公共阻抗的相互耦合，大大提高了供电的可靠性。

　　3.程序监视系统中的抗干扰（电源部分）

　　WATCHDOG本身能独立工作，基本上不依赖于CPU，当电源受干扰而掉电时，WATCHDOG自动产生中断。使CPU备用电源起作用，对CPU正在执行的数据进行保护。

　　4.8看门狗电路

　　工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成系统故障的多数现象为“死机”。究其原因是CPU在执行某条指令时受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时,CPU执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，就是看门狗。若程序发生“死机”，则看门狗电路产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。

　　此外，工业现场由于诸多大型用电设备的投入或撤出电网运行，往往造成系统的电源电压不稳定，当电源电压降低或掉电时，会造成重要的数据丢失，系统不能正常运行。若设法在电源电压降至一定的限值之前，单片机快速的保存重要数据，将会最大限度地减少损失。在掉电方式下单片机内所有运行状态均被停止，只有片内RAM和SFR中的数据被保存起来。在单片机系统可借助于一定的外部附加电路监测电源电压，并在电源发生故障时及时通知单片机（本次设计是通过引发INT0中断来实现的）快速保存重要数据，使电源恢复正常，取消掉电方式，通过复位单片机，使系统重新正常。

　　4.8.1 MAX813L功能简介

　　MAX813L是美国MAXIM公司推出的微处理机系统监控集成芯片，该芯片的价格低，减少了器件个数，所构成的电路性能更可靠，MAX813L提供如下四种功能上电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200MS。

　　2.独立的看门狗输出。如果看门狗在1.6S内未被触发，其输出将变为低电平。

　　3.1.25V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或+5V以外的电源的监控间。

　　4.低电平有效的手动复位输入。

　　4.8.2 看门狗电路各引脚功能

　　１.手动复位输入端（MR）：当该端输入低电压保持140ms以上，MAX813L就输出复位信号。输入端的最小输入脉冲宽要求可以有效的消除开关的抖动。

　　2.工作电源端（VCC）：接+5V电源。

　　3.电源接地端（GND）：接0V参考电平。

　　4.电源故障输入端（PFI）：当该端输入电压低于1.25V时，5号引脚输出端的信号有高电平变为低电平。

　　5.电源故障输出端（PFO）：电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。

　　6.看门狗信号输入端（WDI）：程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6s该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。

　　7.复位信号输出端（RST）：上电时，自动产生200ms的复位脉冲：手动复位端输入低电平时，该端也产生复位脉冲。

　　8.看门狗信号输出端（WDO）：正常工作使输出保持高电平，当WDI端在1.6S接收不到信号时，该端输出信号由高电平变为低电平。

AX813L在单片机系统中的应用电路图。此电路可以实现上电，瞬时掉电以及程序运行实现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时的监视电源故障，以便及时地保存数据。

　　本电路巧妙的利用了MAX813L的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”，WDO端电平由高到低，当/WDO变低超过140ms，将引起MAX813L产生一个200ms的复位脉冲（本次设计中将MAX813L的RET端同时8031、8155的复位端RESET相连，使之同时复位）。同时使看门狗定时器清0和使引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲，由于为了产生复位脉冲端要求低电平至少保持140ms以上，故可以有效的消除开关抖动。

　　该电路可以实时的监控电源故障（如掉电、电压降低）。图5-6中R1的一端接未经稳定的直流电源。电源正常时，确保R2上的电压高于1.6V。当电源发生故障，PFI输入端的电平低于1.25V时，电源故障输出端电平由高变低，引起单片机中断，CPU中断相应服务程序，保护数据，断开外部用电电路等。