CN103401660B - 基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Cortex内核单片机的正交信号解码系统，包括依次电连接的整流滤波电路、隔离转换电路和Cortex内核单片机方法，解码方法具体步骤为：Cortex内核单片机的定时器设置为解码器端口工作模式；将正交信号接入整流滤波电路进行整流滤波后送至隔离转换电路转换为电平信号，再送至Cortex内核单片机的定时器端口；Cortex内核单片机的定时器对检测到电平信号计数，存储在Cortex内核单片机的定时器内的寄存器值为S0，当经过时间T后寄存器值为S1，此时，获知了待解码的正交信号的频率F，F=（S1‑S0）/T，也就是完成了正交信号的解码。本发明不仅方法简单、系统生产成本低，且能够提高系统稳定性。

Description

基于 Cortex 内核单片机的正交信号的解码系统及方法

技术领域

本发明属于正交信号解码的技术领域，具体涉及一种基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统及方法。

背景技术

所述正交（编码）信号能够有效的消除脉冲边缘振荡造成的干扰，因此，正交（编码）信号具有良好的抗磁干扰性能、高精度、响应速度快、容易辨认转盘的方向及位置等优异性能的优点，所述正交（编码）信号已在工业控制等领域广泛的使用。对正交（编码）信号的方向以及速度的测量非常重要，它关系到整个系统的平稳运行及运动状态和位置的精确性。但目前对该正交编码信号的解码系统还停滞于复杂的传统方式。

目前传统的正交解码系统一般基于两片CPLD芯片并搭建外围电路予以实现，但是使用CPLD芯片需要对该芯片有深入了解认识，能够熟练使用该芯片并能编写相关的程序代码。由于CPLD电路的复杂性，在编写CPU的程序时需要花费大量精力和时间编写这部分电路的底层驱动来进行调度使用。CPLD芯片本身的稳定性也会影响整个设备的工作稳定性，例如，高温环境、低温环境以及使用寿命。两片CPLD芯片也会增加整个产品的生产成本，并且降低产品的性价比以及市场竞争力。

另外，目前部分正交解码系统直接使用国外的专用解码器芯片，但专用芯片一般价格都较昂贵，一样会增加产品的成本，并且专用芯片需要占用主板大量端口以实现对其进行数据收发及控制。处理器与专用芯片的数据收发也一样需要编写底层代码驱动的支持。此外专用芯片的稳定性也会影响到整个主板的稳定运行。

由此可知，现有的正交（编码）信号的解码方法复杂，且解码系统不仅生产成本高，而且稳定性差。

发明内容

本发明的目的是，提供一种不仅解码方法简单、解码系统生产成本低，且能够提高系统稳定性的基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统及方法，以克服现有技术的不足。

为了达到上述目的，本发明的第一种技术方案是：一种基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统，包括Cortex内核单片机、隔离转换电路和整流滤波电路，所述Cortex内核单片机内置有定时器端口，所述整流滤波电路的输入端是正交信号输入连接端，整流滤波电路的输出端与隔离转换电路的输入端电连接，隔离转换电路的输出端与Cortex内核单片机的定时器端口电连接。

在上述第一个技术方案中，所述Cortex内核单片机的型号为STM32F407，或者是STM32F417。

在上述第一个技术方案中，所述隔离转换电路包括光电耦合器IG1、电阻R1、电阻R2和电容C1，所述光电耦合器IG1的输入端与整流滤波电路的输出端电连接，光电耦合器IG1的第一输出端同时与电容C1的一端和电源正极电连接，光电耦合器IG1的第二输出端与电阻R1的一端电连接，光电耦合器IG1的第三输出端与电阻R2的一端电连接，光电耦合器IG1的第四输出端与电容C1的另一端电连接并且接地，所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端分别与Cortex内核单片机的定时器端口相应的连接端电连接。

在上述第一个技术方案中，所述隔离转换电路的光电耦合器IG1的型号为ACPL-064L。

在上述第一个技术方案中，所述整流滤波电路包括第一整流器B1、第二整流器B2、二极管ZG2、二极管ZG4、电阻R3和电阻R4，所述第一整流器B1的输入端和第二整流器B2的输入端分别是正交信号输入连接端，第一整流器B1的第一输出端与二极管ZG2的负极电连接，且二极管ZG2的负极与隔离转换电路相应的输入端电连接，第一整流器B1的第二输出端同时与二极管ZG2的正极以及电阻R3的一端电连接，电阻R3的另一端与隔离转换电路相应的输入端电连接，第二整流器B2的第一输出端与二极管ZG4的负极电连接，且二极管ZG4的负极与隔离转换电路相应的输入端电连接，第二整流器B2的第二输出端同时与二极管ZG4的正极和电阻R4的一端电连接，电阻R4的另一端与隔离转换电路相应的输入端电连接。

在上述第一个技术方案中，所述整流滤波电路的第一整流器B1和第二整流器B2的型号为MB6S，或者是DB107。

为了达到上述目的，本发明的第二种技术方案是：一种基于Cortex内核单片机的正交信号的解码方法，所述正交信号解码是为了获得正交信号的频率F，且具体解码的步骤为：

a、采用如上述的基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统，将Cortex内核单片机的定时器设置为解码器端口工作模式，并且设置Cortex内核单片机的定时器在检测到正交信号的上升沿和下降沿时进行计数，此时，Cortex内核单片机的定时器为解码器；

b、将待解码的正交信号接入整流滤波电路，并由整流滤波电路进行整流滤波，再由整流滤波后的正交信号输入到隔离转换电路进行隔离耦合处理；

c、隔离转换电路将获得的正交信号转换为电平信号，并将转换为电平信号的正交信号送至Cortex内核单片机的定时器端口；

d、所述Cortex内核单片机的定时器检测到电平信号的上升沿和下降沿进行计数，并将数据存储在Cortex内核单片机的定时器内的寄存器中，此时，所述Cortex内核单片机的定时器内的寄存器CNT值为S0， 当经过时间T后所述Cortex内核单片机定时器内的寄存器CNT值为S1，此时，获知了待解码的正交信号的频率F，F=（S1-S0）/T，也就是完成了正交信号的解码。

本发明所具有的积极效果是：由于采用了上述的正交信号的解码系统及方法后，本发明所述的Cortex内核单片机内置的定时器端口用于增量式正交信号解码，不再需要额外添加专用解码芯片，克服了已有整个系统的不稳定性，并且本发明只需要占用单片机的两个通用端口，节省了单片机的通用端口开销；此外，降低了正交信号解码系统的生产成本，在提高了产品的市场竞争力的同时也节省了软件开发成本，缩短了软件开发周期。本发明的正交信号的解码方法简单，而系统生产成本低，且能够提高系统稳定性。

附图说明

图1是本发明正交信号的解码系统的方框示意图；

图2是图1的电路原理图；

图3是本发明正交信号的解码方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

实施例1

如图1、2所示，一种基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统，包括Cortex内核单片机1、隔离转换电路2和整流滤波电路3，所述Cortex内核单片机1内置有定时器端口，所述整流滤波电路3的输入端是正交信号输入连接端，整流滤波电路3的输出端与隔离转换电路2的输入端电连接，隔离转换电路2的输出端与Cortex内核单片机1的定时器端口电连接。

本发明所述Cortex内核单片机1的定时器将接收到的正交信号进行解码译码，以获得正交信号的频率F。基于Cortex内核的单片机具有高性能、高集成度、低功耗、低成本等优点，拥有丰富的外部设备接口，可实现产品的多功能、低成本。Cortex内核单片机的定时器接口拥有计数器模式、捕获/比较模式、PWM输出模式、解码器接口模式等多种应用模式。本发明使用了其中的解码器接口模式。在该应用模式下，单片机可从寄存器中直接读出正交信号的脉冲计数值。所述Cortex内核单片机1的型号为STM32F407，或者是STM32F417。当然，并不局限于此，也可以采用其它型号的Cortex内核单片机。

如图3所示，所述隔离转换电路2包括光电耦合器IG1、电阻R1、电阻R2和电容C1，所述光电耦合器IG1的输入端与整流滤波电路3的输出端电连接，光电耦合器IG1的第一输出端同时与电容C1的一端和电源正极电连接，光电耦合器IG1的第二输出端与电阻R1的一端电连接，光电耦合器IG1的第三输出端与电阻R2的一端电连接，光电耦合器IG1的第四输出端与电容C1的另一端电连接并且接地，所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端分别与Cortex内核单片机1的定时器端口相应的连接端电连接。隔离转换电路2用于将外部工业环境下的正交信号隔离转换为普通电平信号输入给Cortex内核单片机1的定时器端口，同时实现了单片机与外部工业环境的隔离保护。

本发明所述隔离转换电路2的光电耦合器IG1的型号为ACPL-064L。当然，并不局限于此，也可以采用其它型号的光电耦合器。

如图3所示，所述整流滤波电路3包括第一整流器B1、第二整流器B2、二极管ZG2、二极管ZG4、电阻R3和电阻R4，所述第一整流器B1的输入端和第二整流器B2的输入端分别是正交信号输入连接端，第一整流器B1的第一输出端与二极管ZG2的负极电连接，且二极管ZG2的负极与隔离转换电路2相应的输入端电连接，第一整流器B1的第二输出端同时与二极管ZG2的正极以及电阻R3的一端电连接，电阻R3的另一端与隔离转换电路2相应的输入端电连接，第二整流器B2的第一输出端与二极管ZG4的负极电连接，且二极管ZG4的负极与隔离转换电路2相应的输入端电连接，第二整流器B2的第二输出端同时与二极管ZG4的正极和电阻R4的一端电连接，电阻R4的另一端与隔离转换电路2相应的输入端电连接。

本发明的整流滤波电路3用于防止外部正交信号接线的反向接入，滤去外部高压毛刺及浪涌脉冲并将外部接入电压整合为准确电压输出至隔离转换电路2；如果外部正交信号反向接入会引起隔离转换电路2的光电耦合器IG1内部发光二极管两端接入反向电压，会直接导致光电耦合器的损坏，使得整个系统不能正常工作，因此，整流滤波电路3能实现保护隔离转换电路2，确保整个系统的正常运行。

本发明所述整流滤波电路3的第一整流器B1和第二整流器B2的型号为MB6S，或者是DB107。当然，并不局限于此，也可以采用其它型号的整流器。

实施例2

如图3所示，一种基于Cortex内核单片机的正交信号的解码方法，所述正交信号解码是为了获得正交信号的频率F，且具体解码的步骤为：

a、采用如上述的基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统，将Cortex内核单片机1的定时器设置为解码器端口工作模式，并且设置Cortex内核单片机1的定时器在检测到正交信号的上升沿和下降沿时进行计数，此时，Cortex内核单片机1的定时器为解码器；

b、将待解码的正交信号接入整流滤波电路3，并由整流滤波电路3进行整流滤波，再由整流滤波后的正交信号输入到隔离转换电路2进行隔离耦合处理；

c、隔离转换电路2将获得的正交信号转换为电平信号，并将转换为电平信号的正交信号送至Cortex内核单片机1的定时器端口；

d、所述Cortex内核单片机1的定时器检测到电平信号的上升沿和下降沿进行计数，并将数据存储在Cortex内核单片机1的定时器内的寄存器中，此时，所述Cortex内核单片机1的定时器内的寄存器CNT值为S0， 当经过时间T后所述Cortex内核单片机1定时器内的寄存器CNT值为S1，此时，获知了待解码的正交信号的频率F，F=（S1-S0）/T，也就是完成了正交信号的解码。

本发明带解码的正交信号是以差分信号形式表现的。本发明具体实施过程：例如，港口集装箱码头会使用大型吊车进行搬运集装箱等货物，吊车的轮胎会转动并带动吊具前进后退、加速和减速，这样，轮胎的转动快慢、方向即可反映吊具的状态及位置。一般情况下，吊车上有编码器对轮胎的转动进行编码，并输出正交信号。而输出的正交信号接入本发明的整流滤波电路3进行整流滤波，以确保正交信号可被识别，也避免了在工业环境下高压、大电流等对隔离转换电路2造成的损坏，经过整流滤波后的正交信号送至隔离转换电路2进行隔离耦合，并转换为电平信号送至所述Cortex内核单片机1的定时器端口，所述Cortex内核单片机1通过对正交信号的解码运算获得正交信号频率F，而解码后正交信号的频率F的值反映吊车吊具的运行速度，并通过解码后正交信号的频率F小于零或大于零，获知吊车吊具此时的行进方向。

本发明的正交信号的解码方法简单，解码系统不仅生产成本低，节省了软件开发成本，缩短了软件开发周期，而且能够提高整个系统的稳定性。

Claims (6)

1.一种基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统，其特征在于：包括Cortex内核单片机（1）、隔离转换电路（2）和整流滤波电路（3），所述Cortex内核单片机（1）内置有定时器端口，所述整流滤波电路（3）的输入端是正交信号输入连接端，整流滤波电路（3）的输出端与隔离转换电路（2）的输入端电连接，隔离转换电路（2）的输出端与Cortex内核单片机（1）的定时器端口电连接；

所述隔离转换电路（2）包括光电耦合器IG1、电阻R1、电阻R2和电容C1，所述光电耦合器IG1的输入端与整流滤波电路（3）的输出端电连接，光电耦合器IG1的第一输出端同时与电容C1的一端和电源正极电连接，光电耦合器IG1的第二输出端与电阻R1的一端电连接，光电耦合器IG1的第三输出端与电阻R2的一端电连接，光电耦合器IG1的第四输出端与电容C1的另一端电连接并且接地，所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端分别与Cortex内核单片机（1）的定时器端口相应的连接端电连接。

2.根据权利要求1所述的基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统，其特征在于：所述Cortex内核单片机（1）的型号为STM32F407，或者是STM32F417。

3.根据权利要求1所述的基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统，其特征在于：所述隔离转换电路（2）的光电耦合器IG1的型号为ACPL-064L。

4.根据权利要求1所述的基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统，其特征在于：所述整流滤波电路（3）包括第一整流器B1、第二整流器B2、二极管ZG2、二极管ZG4、电阻R3和电阻R4，所述第一整流器B1的输入端和第二整流器B2的输入端分别是正交信号输入连接端，第一整流器B1的第一输出端与二极管ZG2的负极电连接，且二极管ZG2的负极与隔离转换电路（2）相应的输入端电连接，第一整流器B1的第二输出端同时与二极管ZG2的正极以及电阻R3的一端电连接，电阻R3的另一端与隔离转换电路（2）相应的输入端电连接，第二整流器B2的第一输出端与二极管ZG4的负极电连接，且二极管ZG4的负极与隔离转换电路（2）相应的输入端电连接，第二整流器B2的第二输出端同时与二极管ZG4的正极和电阻R4的一端电连接，电阻R4的另一端与隔离转换电路（2）相应的输入端电连接。

5.根据权利要求4所述的基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统，其特征在于：所述整流滤波电路（3）的第一整流器B1和第二整流器B2的型号为MB6S，或者是DB107。

6.一种基于Cortex内核单片机的正交信号的解码方法，其特征在于：所述正交信号解码是为了获得正交信号的频率F，且具体解码的步骤为：

a、采用如权利要求1-5之一的基于Cortex内核单片机的正交信号的解码系统，将Cortex内核单片机（1）的定时器设置为解码器端口工作模式，并且设置Cortex内核单片机（1）的定时器在检测到正交信号的上升沿和下降沿时进行计数，此时，Cortex内核单片机（1）的定时器为解码器；

b、将待解码的正交信号接入整流滤波电路（3），并由整流滤波电路（3）进行整流滤波，再由整流滤波后的正交信号输入到隔离转换电路（2）进行隔离耦合处理；

c、隔离转换电路（2）将获得的正交信号转换为电平信号，并将转换为电平信号的正交信号送至Cortex内核单片机（1）的定时器端口；

d、所述Cortex内核单片机（1）的定时器检测到电平信号的上升沿和下降沿进行计数，并将数据存储在Cortex内核单片机（1）的定时器内的寄存器中，此时，所述Cortex内核单片机（1）的定时器内的寄存器CNT值为S0， 当经过时间T后所述Cortex内核单片机（1）定时器内的寄存器CNT值为S1，此时，获知了待解码的正交信号的频率F，F=（S1-S0）/T，也就是完成了正交信号的解码。