基于绝对编码器的数据采集

0 引言
    在跟踪控制系统中，控制精度总是受各方面因素的影响。控制系统功能和性能的实现受数据采集的影响，具体有传感器采集数据、数据传输的方式、算法处理及输出控制等4个基本环节，每个环节都有可能产生误差，环节之间也有误差传递，从而影响跟踪控制精度。在这些环节中，数据源是重要的一环，没有准确的数据来源会对相应的控制模式带来影响。

1 数据采集的编码实现
    跟踪控制系统所需采集的数据为跟踪运行轨道上的平面坐标的变化速度，跟踪系统通过平面坐标的变化特征跟踪轨道，而跟踪轨道由两组电机进行控制，故对数据的采集也就变成了对两组电机转速的采集。数据采集用的传感器，可以采用由旋转变压器构成的模拟编码器。旋转变压器产生的是模拟信号，通过对主副线圈产生的信号进行误差补偿最后形成所需信号，该信号还要经过A／D转换。很明显在高精度控制情况下，这种方式产生的误差大，误差补偿有限。也可以采用基于光电原理的数字式传感器，这类传感器进行数据采集时采用的是Eltra编码器，为了配合跟踪控制系统的需求选用了单转绝对编码器。单转绝对编码器的内部结构是一个具有编码的圆盘，通过光电转换，把光脉冲转换为电脉冲，再经过信号处理，形成数据信号的编码系列。对单转绝对编码器而言，它的编码位置是由输出代码的读数确定的。在一圈里，每个位置的输出代码是唯一的，这样的好处是：当电源断开时，绝对型编码器并不与实际位置分离；当电源再次接通时，编码器的读数仍然是当前的有效读数。编码器的输出代码用于确定具体的位置，编码采用二进制码便于对信号进行处理，从而得到实际位置的读数。从内部的光电转换结构看，二进制码是直接从圆形光盘的转动所产生的光电转换脉冲取得的，从一个编码变到另一个编码时，如果采用顺序二进制码，位置的同步和采集就变得非常困难。
    如4位二进制数由7(0111)变换到8(1000)时，顺序二进制码的每一位都改变了状态，要求同一瞬间同时改变状态是不可能的，这使得在改变状态的过渡时刻得到的编码读数有可能完全是错误的。为了克服这一问题，在数据采集的编码中采用格雷码，这样就解决了顺序二进制码存在的问题。

2 编码器的接口
    跟踪控制系统的中控室与数据采集点的距离较远，为了保证数据在传输过程中不受外界电磁干扰的影响，选用了SSI(Synchronization Serial Interface，同步串行接口)绝对编码器，从数据采集点到中控室之间的数据传输采用RS 422标准。RS 422是全双工的传输方式(同一时间既可以发送，又可以接收)，RS 422标准是双平衡信号方式，接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，在较远距离信号传输过程中，利用信号差分特点，消除在传输过程中外界电磁干扰的影响。但仍然需要处理信号同步问题，Eltra提供的绝对编码器需要外界提供时钟触发信号，以启动单稳态电路，在单稳态电路的控制下实现信号的转换、存储和发送。Eltra具有SSI接口的绝对编码器所需的时钟激励信号如图1所示。

    由图可知，要使绝对编码器正常工作，必需要由外部提供时钟信号，将所产生的差分时钟信号用作绝对编码器开始工作所需要的同步时钟激励信号，这样设计使编码器的工作稳定性得到了极大地提高。同步问题的解决使采集数据的误差降低，对跟踪控制系统整体跟踪精度的提高起到了决定性的作用。

3 接口的设计及编程
    编码器要求时钟发生电路提供的时钟信号可以调整，调整范围为100 kHz～1 MHz。根据逻辑时序的要求，在静止条件下，时钟和数据信号处于逻辑高电平上，编码器内部单稳态电路不工作。在第一个时钟信号下降沿，单稳态电路启动，编码器内部的并行数据信号输入到P／S(并／串)转换器，并在转换器内存储。在时钟信号上升沿MSB(最高有效位)被传送至输出端的数据线上。当时钟信号再次至下降沿，接口从数据线上得到MSB数据，当数据稳定后，单稳态电路再次重新启动。每次当顺序时钟脉冲信号在上升沿时，数据连续传送至输出数据线上，同时需要控制信号处于下降沿。在顺序时钟脉冲结束时，外部控制信号时钟需要获得LSB(最低有效位)的数据，当顺序时钟脉冲被中断，单稳态电路不再启动。一旦TM(单位定时电路时间信号)消失，数据线路回到逻辑高电平上，编码器内部单稳态电路自动停止工作。信号波形示意如图2所示。

    为了产生时钟信号，选用SPCE061A芯片作为处理器，该芯片为16位芯片，带32位I／O，具有串行输出接口，双16位定时器／计数器，内部结构如图3所示。

    以SPCE061A芯片为处理器，设计一个最小系统，如图4所示。

    该最小系统构成的电路简单，稳定性好，满足了数据采集系统的要求。

4 数据信号的传输
    对本系统而言，数据信号是二进制编码，在数据采集过程中没有对数据编码进行封装，因此数据信号的传输是直接通过物理链路层进行。由于被控对象离中控室较远，因此数据采集后需要传输较长的距离，如采用一般的RS 232接口的非平衡传输方式，即所谓单端通信方式，其收、发端的数据信号是相对于信号地，典型的RS 232信号在正负电平之间变化，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15 V，负电平在-5～-15 V。当无数据传输时，传输线上为TTL电平，从开始传送数据到数据传输结束，传输线上的电平从TTL电平到RS 232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12 v与-3～-12 V。由于发送电平与接收电平的差仅为2～3 V，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为15 m，最高速率为20 Kb／s。RS 232是为点对点通信而设计的，其驱动器负载为3～7 kΩ，所以RS 232仅适合本地设备之间的通信，对距离较远的数据传输显然存在问题。
    RS 422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，由于接收器采用高输入阻抗，发送驱动器比RS 232的驱动能力更强，故允许在相同传输线上连接多个接收节点。RS 422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式或硬件方式(一对单独的双绞线)实现。RS 422的最大传输距离约为1 000 m，最大传输速率为10 Mb／s，其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100 Kb／s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100 m长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1 Mb／s。在本系统中，数据采样率为10 Kb／s，数据传输的距离大约为80 m，可见在本系统中采用RS 422完全可以满足要求。

5 转换器
    数据采集后需要传送到中控室的主计算机进行处理，在中控室的计算机端，数据信号是通过串口以RS 232标准接入的。而数据源端输出的信号是RS 422标准，数据编码是格雷码，不能直接与主计算机之间进行数据传输，数据采集还需要由激励信号启动。由此设计一个数据转换器，由转换器产生激励信号，控制数据采样的采样率进行采样。转换器也作为绝对编码器输出数据的接收器，转换器接收数据以后，将格雷码转换为二进制代码，再将二进制代码进行处理，直接转换为控制转速的编码信号，这样就大大减轻了主计算机对接收到的数据信号进行分析处理的工作。转换器将处理后的转速信号以RS 232标准与主计算机的串口之间直接进行数据通信，由于转换器的位置也在中控室，距离主计算机很近，故采用RS 232标准完全能够满足要求，根据数据采集的采样率，利用串口通信的波特率也能满足系统需要。
    在本系统中，绝对编码器采用的是成品，保证了数据源的准确和稳定，主计算机采用工控机，其稳定性和可靠性也能满足要求。数据转换器为了提供同步激励和接收数据以及标准转换，只能自己分析设计，对底层物理链路层而言，需要进行充分的考虑，本文不对转换器的分析和设计进行讨论。

6 结语
    在数据采集方面，就跟踪控制系统而言，采用旋转变压器，其价格相对较低，但是其采集的一次信号为模拟量，要经过中间的A／D转换和二次误差调整与精度补偿，给数据源的精度带来一定影响。使用绝对编码器，由于输出的是数字信号(光电转换在内部完成)，减少了转换与补偿带来的误差影响，提高了数据精度，精确的数据源对控制精度起到了绝定性的作用。尽管数据通信已经较为成熟，但选择适当的方式减小数据传输过程带来的影响也是至关重要的一个环节，这在实际系统设计中应该得到相应的重视。就本文提出设计的系统模型，在硬件系统配置上进行了充分的考虑，所采集的数据与跟踪算法的配合，使跟踪控制的精度得到了保证，在实际运行过程中监测的结果数据显示，实际运行控制精度比设计预期的精度要高。