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光電編碼器是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成一串脈沖或數(shù)字量的傳感器。在電機伺服控制系統(tǒng)中，它與電機同軸連接，常用來測量電機轉(zhuǎn)子的速度和位置［1］。近年來，隨著研究室小批量軍工生產(chǎn)的開展，需要批量采購部分絕對值編碼器等外協(xié)器件。為方便檢驗采購的編碼器，保障生產(chǎn)任務的按時完成，設計了一個單圈絕對值編碼器實時讀出電路板，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?；诖穗娐钒?，開發(fā)出了一個程序，它能夠?qū)崿F(xiàn)將絕對值編碼器的數(shù)據(jù)讀入FPGA，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為角度值，最終驅(qū)動液晶顯示屏實時輸出角度值。這使得不需要將編碼器數(shù)據(jù)輸入到計算機就可以處理轉(zhuǎn)化為角度值，使用更加方便。程序中用到了線性變換思想，可以應用到其他程序中。電路板中用到的絕對值編碼器是BEI-IDEACOD公司的CHO5系列。液晶顯示屏為3.3 V供電的1602型LCD，F(xiàn)PGA采用的是Xilinx的Spartan-6系列。
1 數(shù)據(jù)讀入及去抖動
本文所采用的絕對值編碼器是BEI-IDEACOD公司的CHO5系列，它采用并行輸出模式，有13 bit數(shù)據(jù)（Data［0］~Data［12］），讀出速度快。由于電動機的旋轉(zhuǎn)或機械設備的震動，會使編碼器輸出脈沖抖動［2］，因此首先對編碼器脈沖進行了去抖動處理。下面的程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)讀入，并在去抖動后被鎖存在Gray_data中。
always@（posedge clk_50M）
begin
D0《={D0［1：0］，Data［0］}；
D1《={D1［1：0］，Data［1］}；
。。.。。.
D11《={D11［1：0］，Data［11］}；
D12《={D12［1：0］，Data［12］}；
end
always@（posedge clk_50M）
begin
Gray_data［0］《=D0［2］&D［1］&D［0］；
Gray_data［1］《=D1［2］&D［1］&D［0］；
。。.。。.
Gray_data［11］《=D11［2］&D［1］&D［0］；
Gray_data［12］《=D12［2］&D［1］&D［0］；
end
2 二進制格雷碼轉(zhuǎn)普通格雷碼
上面得到數(shù)據(jù)Gray_data還是格雷碼，因為絕對值編碼器（并行輸出）采用的是格雷碼二進制輸出。格雷碼的特點是任意兩個相鄰位其輸出格雷碼值只有一位不同［3］，這提高了數(shù)據(jù)輸出的穩(wěn)定性。假設二進制格雷碼為Gn-1 Gn-2…G2G1G0，其所對應的普通二進制為Bn-1Bn-2…B2B1B0。那么它們最高位之間的對應關系如式（1）所示，其他各位的對應關系如式（2）所示。
Bn-1=Gn-1（1）
Bi-1=Gi-1^Bi， i=1，2，…，n-1（2）
根據(jù)式（1）和式（2），格雷碼二進制轉(zhuǎn)化為普通二進制的Verilog HDL代碼如下：
always@（posedge Clk_50M）
begin
Binary_data［12］=Gray_data［12］；
Binary_data［11］=Binary_data［12］^Gray_data［11］；
Binary_data［10］=Binary_data［11］^Gray_data［10］；
。。.。。.
Binary_data［1］=Binary_data［2］^Gray_data［1］；
Binary_data［0］=Binary_data［1］^Gray_data［0］；
end
該程序?qū)崿F(xiàn)了由格雷碼二進制Gray_data向普通二進制Binary_data的轉(zhuǎn)換。
3 將二進制轉(zhuǎn)為角度值
絕對值編碼器的最小精度是由最低位決定的。因為所用的絕對值器是13 bit數(shù)據(jù)輸出，絕對值編碼器的最低位為1時，對應的角度值如式（3）所示：
因此，絕對值編碼器的最小精度為min=0.043 945 312 5°。也就是說二進制編碼每加1，度數(shù)就應該增加0.043 945 312 5°。為方便在Verilog HDL中進行處理，對這種十進制數(shù)進行一個線性變換，將其最小精度值對應二進制min_degree=2′b000000000000011010001100011000010111000101，其實就是十進制數(shù)439 453 125對應的二進制數(shù)。相對于編碼器輸出的二進制數(shù)，將這個二進制數(shù)稱為編碼二進制。這樣就對每一個編碼器輸出的13 bit二進制進行了一個線性變化，轉(zhuǎn)化為對應的編碼二進制Now_degree。其對應關系如式（4）所示，其中的“《《”是左移位運算符。
Now_degree=Binary_data［0］min_degree+Binary_data［1］（min_degree《《1）++Binary_data［11］（min_degree《《11）+ Binary_data［12］（min_degree《《12） （4）
為了得出在每一數(shù)據(jù)位（百位、十位、一直到小數(shù)點后10位）上需要輸出什么數(shù)據(jù)，需要求出每個數(shù)據(jù)位權(quán)值（即次位數(shù)據(jù)為1時的值）對應的編碼二進制，數(shù)據(jù)位權(quán)值對應的編碼二進制如表1所示。其中Decimal10_degree指的是小數(shù)點后第10位權(quán)值所對應的編碼二進制，以此類推，Hundred_degree是百位上權(quán)值所對應的編碼二進制。
通過將Now_degree與各位對應的編碼二進制一一比較，使用狀態(tài)機得出具體實現(xiàn)各數(shù)據(jù)位上的數(shù)值：Decimal1Decimal1、Single、Ten、Hundred。具體Verilog HDL代碼如下所示：
always@（posedge Clk_50M）
begin
4′b0000：
begin
if（Buf_degree》=Hundred_degree）
begin
Buf_degree=Buf_degree-Hundred_degree；
Temp_Hundred=Temp_Hundred+1；
Sta=4′b0000；
end
else
begin
Sta=4′b0010；
end
end
4′b0001：
begin
if（Buf_degree》=Ten_degree）
begin
Buf_degree=Buf_degree-Ten_degree；
Temp_Ten=Temp_Ten+1；
Sta=4′b0001；
end
else
begin
Sta=4′b0010；
end
end
4′b1100：
begin
if（Buf_degree》=Decimal10_degree）
begin
Buf_degree=Buf_degree-Decimal10_degree；
Temp_Decimal10=Temp_Decimal10+1；
Sta=4′b1101；
end
else
begin
Sta=4′b1101；
end
end
4′b1101：begin
Hundred=Temp_Hundred；
Ten=Temp_Ten；
Single=Temp_Single；
Decimal1=Temp_Decimal1；
Decimal2=Temp_Decimal2；
Decimal3=Temp_Decimal3；
Decimal4=Temp_Decimal4；
Decimal5=Temp_Decimal5；
Decimal6=Temp_Decimal6；
Decimal7=Temp_Decimal7；
Decimal8=Temp_Decimal8；
Decimal9=Temp_Decimal9；
Decimal10=Temp_Decimal10；
Sta=4′b0000；
end
default：begin
Sta=4′b0000；
end
endcase
end
該程序最終實現(xiàn)了將絕對值編碼器輸出的普通二進制數(shù)轉(zhuǎn)化為角度值。例如，一個普通二進制數(shù)0100100110010先通過式（3）運算，轉(zhuǎn)化為Now_degree，然后再通過上述代碼就可以被轉(zhuǎn)化為103447265625（依次為從百位上的值到小數(shù)點后第10位上的值）。這樣就得到了角度值103.447 265 625°。
4 液晶顯示屏驅(qū)動
LCD1602是一個16行2列的液晶顯示屏，因為所需要的數(shù)據(jù)位（算上小數(shù)點）總共14位，所以完全滿足角度值輸出要求。LCD1602內(nèi)置192種字符，顯示字符時，要先輸入顯示字符地址，即告訴模塊在哪里顯示字符［4］。由于只需要顯示角度，因此只需要知道數(shù)字0~9和小數(shù)點（。）的地址就可以了，如表2所示。從表2中可以看出，數(shù)字地址的前4位都是0011，而后4位正好是數(shù)字的二進制表示，這給編寫驅(qū)動液晶屏的編碼帶來了很大方便，可以直接采用類似下面的語句輸出：
Lcd_data《={4′b0011，Hundred}；
這樣就將從百位上的值Hundred到小數(shù)點后10位上的值Decimal10依次輸?shù)揭壕э@示屏上了。其中的Lcd_data是接LCD1602的8 bit數(shù)據(jù)位。上面并不是程序中的真正代碼，因為液晶顯示屏驅(qū)動需要初始化，且需要嚴格時序控制，程序較長，這里就不給出具體代碼了。
工商網(wǎng)監(jiān)
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