引言

在數(shù)控機床或其他數(shù)控設備中，往往都會用到光柵尺或編碼器等位置傳感部件，用以來測量機械運動部件的實際運動位置及速度信息。光柵尺位移傳感器（簡稱光柵尺），是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應用于機床與現(xiàn)在加工中心以及測量儀器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。例如，在數(shù)控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個補償?shù)毒叩倪\動誤差的作用。編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是”1”還是“0”，通過”1”和“0”的二進制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。那么光柵尺或編碼器測量到的數(shù)值，就需要專門的接收部件來處理。或通過總線（比如PCI）傳遞給數(shù)控設備的中央控制系統(tǒng)中，讓控制系統(tǒng)的軟硬件根據(jù)測來的實際信息與理想（邏輯）信息進行對比，然后根據(jù)比較的誤差結(jié)果再去調(diào)節(jié)運動部件的位置和速度，或做其他中斷、開關性的輸出動作以達到控制機械運動的目的。

1、用CPLD來實現(xiàn)編碼器解碼接口及PWM輸出功能

現(xiàn)在市面上已經(jīng)有專用的編碼器信號/AB相正交編碼信號解碼接口芯片，主要是歐美等國家提供的芯片，比如HCTL-2016/HCTL-2020等產(chǎn)品。但是這些產(chǎn)品性能價格比還是比較差，功能不夠豐富，使用起來也不靈活方便，很難適合廣大客戶的需求。

而用中規(guī)模的CPLD來完成AB相正交編碼信號解碼功能的設計，就成了一個選擇，加之CPLD的可塑性，及日益走好的性價比趨勢，這種方案甚至成為了唯一的最優(yōu)選擇。CPLD（Complex Programmable Logic Device）復雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標芯片中，實現(xiàn)設計的數(shù)字系統(tǒng)。CPLD主要是由可編程邏輯宏單元（MC，Macro Cell）圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中MC結(jié)構(gòu)較復雜，并具有復雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。由于CPLD內(nèi)部采用固定長度的金屬線進行各邏輯塊的互連，所以設計的邏輯電路具有時間可預測性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時序不完全預測的缺點。

一般情況，Altera/Lattice/Xilinx的市面主流的CPLD都可以滿足設計的需求，邏輯在中等規(guī)模，約500-1000宏單元，就可以完成1-4通道解碼AB相正交編碼信號解碼功能，并且可以外加1-4通道的PWM發(fā)生，以及多路數(shù)字量I/O的擴展功能。

而要充分利用CPLD的資源，并且達到一個高性能、高可靠性的設計，是需要足夠的技術力量保障的，這樣才會有高性加比的產(chǎn)品出現(xiàn)。

深圳市斯邁迪科技發(fā)展有限公司正式這樣的公司，專業(yè)從事運動控制SOPC（即CPLD、 FPGA）的芯片級技術方案和平臺級技術方案開發(fā)，并向市場推出多款運動控制SOPC芯片產(chǎn)品。

以下是2100系列的功能介紹

1.1 SM2100特點簡介

SM2100提供了1-4通道的ABZ相解碼、4倍頻、16位的編碼器計數(shù)范圍和16位的PWM脈沖發(fā)生的功能。同時在芯片內(nèi)部附加了8路通用輸入和8路通用輸出。由于芯片是SOPC技術方案，因此還可以根據(jù)客戶的具體需求做定向化的設計。

下面是其性能指標：

輸入時鐘CLK頻率最高到80MHz，標準輸入頻率40MHz；

PWM的占空比調(diào)節(jié)范圍0～4095，頻率調(diào)節(jié)范圍150Hz~150KHz；

16位編碼器計數(shù)器，可達計數(shù)范圍為：1~ 65535；

AB相輸入可4倍頻，AB相輸入內(nèi)接3階數(shù)字低通濾器，濾波帶寬4級可調(diào)。

1.2 SM2100的設計應用說明

SM2100是一個SOPC方案，它的應用特點如同常見的ASIC一樣方便，通過8位CPU接口與主控器件接口，通過內(nèi)部寄存器來設置其工作狀態(tài)及功能。

其中CPU接口非常簡單：

8根雙向數(shù)據(jù)總線：D0~7；

7根地址總線：A0~6；

1根片選線：CS_n；

1根讀允許線：RD_n；

1根寫允許線：WR_n。

也可以根據(jù)用戶需要，提供16位總線接口。除了數(shù)據(jù)總線增加到16根外，其它信號與8位總線接口相同。

下面是主要的功能設置寄存器介紹。通過這些寄存器的描述，應用工程師們可以一目然地看清了SM2100的具體功能及如何使用。

1.3 SM2100的主要功能原理及應用介紹

A、編碼器解碼計數(shù)功能

SM2100芯片有1-4通道16位ABZ相編碼器計數(shù)器。通過讀取各通道的計數(shù)寄存器（CNT*）可以得到該通道當前的計數(shù)值。對各通道的計數(shù)清零寄存器（CNT*_CLR）的寫操作將把該道的計數(shù)寄存器清零。寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部分。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數(shù)據(jù)和位址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計數(shù)器（PC）。在中央處理器的算術及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器（ACC）。寄存器的功能十分重要，CPU對存儲器中的數(shù)據(jù)進行處理時，往往先把數(shù)據(jù)取到內(nèi)部寄存器中，而后再作處理。外部寄存器是計算機中其它一些部件上用于暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它與CPU之間通過“端口”交換數(shù)據(jù)，外部寄存器具有寄存器和內(nèi)存儲器雙重特點。

每道計數(shù)器的輸入端都有4倍頻電路和3階數(shù)字濾波器電路。數(shù)字濾波器的帶寬分4檔可調(diào)，分別10M，5M，2.5M，625K，分別可以濾除ABZ相信號上的寬度小于300ns、600ns、1.2us、4.8us的干擾。對模式寄存器（MODE）的寫操作可以分別設定各通道的濾波器帶寬。

在Z相信號的上升沿，會把當前的編碼器計數(shù)值鎖存在索引寄存器（CNT*_IDX）中，同時把狀態(tài)寄存器（STATUS）中的對應標志位置1。CPU芯片可以依據(jù)SM2103的狀態(tài)寄存器和索引寄存器的值進行回零點處理。狀態(tài)寄存器的索引標志位在狀態(tài)寄存器讀操作后自動清零。

B、PWM輸出

PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

SM2100芯片有1-4通道16位PWM輸出。用于產(chǎn)生互補（差分）的脈寬調(diào)制信號有死區(qū)控制功能?？梢杂脕韺?相位晶體管的控制完成電機控制中的功率驅(qū)動和3相逆變器功能，也可以或結(jié)合低通濾波完成DA轉(zhuǎn)換功能。

PWM輸出脈沖的周期可以通過往控制寄存器PWM_TL、PWM_TH寫入數(shù)據(jù)來設置。有效數(shù)據(jù)為16位，即PWM_TL的8位和PWM_TH的低4位。

第n通道的脈沖寬度可以通過往控制寄存器PWM_WnL、PWM_WnH寫入數(shù)據(jù)來設置。有效數(shù)據(jù)為16位，即PWM_WnL的8位和PWM_WnH的低4位。

往PWM_EN寄存器的最低位寫入1時，使能PWM；寫入0時，禁止PWM輸出（輸出0電平）。

當PWM脈沖寬度的設置大于脈沖周期的設置值時，輸出脈沖的占空比保持為100%。

C、通用IO應用

對SM2100芯片的通用輸入輸出的操作，直接對GPI 、GPO寄存器進行讀寫即可。這項功能可以用來完成對系統(tǒng)中的開關量控制，或類似于PLC中的I/O點控制。

2、2100的應用方案舉例介紹

2.1 SM2100芯片在運動控制卡中的應用：基于PCI的讀數(shù)卡SMP330

SMP330卡是利用SM2103及PCI接口芯片設計出的32位PCI總線的3通道AB相解碼計數(shù)和PWM輸出卡。該卡適用于電機控制，數(shù)控機械系統(tǒng)中的位置監(jiān)測。它體現(xiàn)了上述SM2100系列芯片的一切功能特點，包括3通道16位A/B相編碼計數(shù)器，3個16位的PWM信號輸出，和多路通用的數(shù)字輸入、輸出通道。

因為是板卡級別的產(chǎn)品，因此還做了系統(tǒng)性質(zhì)電路調(diào)理處理。例如編碼器信號接口采用差分輸入接收，高速光電隔離；PWM輸出經(jīng)過74LS06芯片OC輸出；數(shù)字量的輸出輸入都經(jīng)過光電隔離，其中輸出還經(jīng)過達林頓管增加驅(qū)動電流；此外還在板上增加了隔離電源模塊，用以增加系統(tǒng)的抗干擾性。

SMP330卡可以用到多個應用領域：電機控制、過程監(jiān)視、工業(yè)過程控制。具體的有：抄數(shù)機、測量分析儀器、半自動化定位機器、PC機數(shù)顯等。它可以完成系統(tǒng)中的讀數(shù)功能，也就是對實際位置/速度信息的測量，還有利用PWM功能對電機進行控制，同時數(shù)字GPI/O功能也可以用來對系統(tǒng)進行I/O擴展。I/O是 input/output的縮寫，即輸入輸出端口。每個設備都會有一個專用的I/O地址，用來處理自己的輸入輸出信息。CPU與外部設備、存儲器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過接口設備來實現(xiàn)，前者被稱為I/O接口，而后者則被稱為存儲器接口。存儲器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡單；而I/O設備品種繁多，其相應的接口電路也各不相同，因此，習慣上說到接口只是指I/O接口。

比如抄數(shù)機。我們在實際工件的設計生產(chǎn)中，對一些較復雜或不規(guī)則工件的機械外型設計比較困難，同時也特別消耗時間。這種情況下，如果有實際的參考實物，利用抄數(shù)機的位置探測部位對實物的外殼的實際位置信息快速而又精準的測得，那么這個抄數(shù)機設備中主要的處理部件就可以利用SMP330卡來實現(xiàn)。

2.2 SM2100芯片在數(shù)字伺服驅(qū)動器中的應用

已經(jīng)有部分客戶利用SM2100芯片方案來實現(xiàn)其伺服驅(qū)動器產(chǎn)品了，在產(chǎn)品里擔當速度與位置的接口處理功能，以及對PWM輸出產(chǎn)生的功能。

我們?nèi)绻麑ι蠄D3進行深一步的全數(shù)字化電路設計性細分，蘭色框體部分就可以用SM2100系列芯片方案來實現(xiàn)，灰色框范圍內(nèi)的功能則可以用DSP或 FPGA來實現(xiàn)，這樣就形成一個全數(shù)字伺服系統(tǒng)方案。當然在這個系統(tǒng)中，SM2100只是成但部分的功能及接口，主體的閉環(huán)算法處理是在DSP或FPGA 實現(xiàn)（用FPGA方案實現(xiàn)也是深圳市斯邁迪科技發(fā)展有限公司的產(chǎn)品之一。

這樣的方案里面，結(jié)合SM2100來實現(xiàn)，優(yōu)點是增加系統(tǒng)可靠性、性能好。

綜上所述，一個數(shù)字直流伺服系統(tǒng)（驅(qū)動器）的處理部分實現(xiàn)，就可以用一個DSP結(jié)合一個SM2100芯片就完成了。