CN105157622A

CN105157622A - 一种基于gpio的角度光电编码器计数电路

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Publication number: CN105157622A
Application number: CN201510573504.7A
Authority: CN
Inventors: 李宏宁; 袁黎明
Original assignee: Yunnan Normal University
Current assignee: Yunnan Normal University
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2015-12-16

Abstract

一种基于GPIO的角度光电编码器计数电路，其特征在于：(1)用1片型号为74LS74AN的D触发器和2片型号为74LS00N的与非门组成鉴相器，分别实现加法、减法和零位信号的鉴别；(2)由3片74LS193计数芯片串联组成计数电路，计数总和为2^12＝4096级；(3)由2片74LS193N总线复用芯片实现输出信读取；(4)电路供电为+5V稳定电压，提供LED电源指示。其有益效果是：1.解决上位机没有串行接口时的光电编码器数据的读取问题。2.解决了上位机的GPIO数据总线有限的问题。本发明可以用9个IO口读取12位的编码信号，在IO总线数量比较紧张的情况下，仍然可以实现数据的读取。3.本发明放弃串口读取方式，采用GPIO的数据读取方式，可以提高数据读取速度，可以应用到变化较为频繁的角度测量中。

Description

一种基于GPIO的角度光电编码器计数电路

技术领域

本发明公开了一种光电编码器计数电路，应用在旋光检测器中的光电编码器的角度计数，该电路是旋光偏振检测技术中偏振角度测量的关键电路，属于光电检测技术领域。

背景技术

在角度测量技术中，通常是通过光电编码盘来进行角度测量的，为了提高角度检测的精度，都采用角度分辨率更高的一体化增量式光电编码器。这种方案将与角度测量相关部件集成为一体，可以保证较高的测量精度。该器件的输出为脉冲形式，每次旋转了一个最小角度，编码器输出出现一次跳变，而且正、反方向旋转的输出分别对应两个不同的脉冲输出(分别对应信号A和B)。每旋转一周，触发一次零位信号，称为Z信号。通过对A、B信号的累积，可以计算出当前的角度；通过检测Z信号，可以检测零点。实现脉冲信号计数功能的电路称为计数器，通常是通过单片机来实现，再通过串口(RS232)将数据上传到计算机中作进一步处理。目前，这种类型的计数器已经称为一个标准的模块，可以在市面上买到。

但存在以下情况，不能采用标准化的模块：1.当主控计算机没有串行接口；2.对检测的速度要求较高，串口的传输速度跟不上角度的变化的情况下；3.对于无计数接口的单片机。本发明所涉及电路主要是解决这些问题的：采用I/O接口进行数据的传输，省略RS232串行接口；对于普通的PC机，可以采用通用I/O板卡直接读取测量旋光角度值；对于带I/O口的微型或单片计算机(比如RaspberryPI、Arduino等)可以通过自带的GPIO接口直接读取对应角度信号。本发明所公布的电路主要用于解决以上问题。

本发明所公布的基于GPIO的角度光电编码器计数电路主要应用在线旋光检测仪的角度测量上。本电路记录光电角度编码器的输出脉冲，并将脉冲的数量和相位进行加减计数，计数值通过GPIO接口读入上位机中。在上位机中再转换为角度值输出。

发明内容

本发明公开了一种用于旋光检测器中的偏振角度检测的角度编码脉冲计数电路，其目的是对角度脉冲进行计数并通过I/O接口直接读取对应角度值，不用传统RS232串行接口和单片机技术而实现角度精确测量。

本发明电路的原理图为图1，电路零件清单为图2，本发明通过如下技术方案来实现。一种基于GPIO的角度光电编码器计数电路，本发明特征在于：(1)用1片型号为74LS74AN的D触发器和2片型号为74LS00N的与非门组成鉴相器，分别实现加法、减法和零位信号的鉴别；(2)由3片74LS193计数芯片串联组成计数电路，计数总和为2^12＝4096级；(3)由2片74LS193N总线复用芯片实现输出信读取；(4)电路供电为+5V稳定电压，提供LED电源指示。本基于GPIO的角度光电编码器计数电路的PCB印制板设计如图3所示。

本发明所输出的角度数据中高8位数据中的前4位信号为0，仅后4位信号有效，与低8位信号组合，一共实现2^12＝4096级的计数，同时要求后续读取电路采用分时读数方案，并通过高、低位组合计算对应角度。

本发明其角度计数采用1片型号为74LS74AN的D触发器和2片型号为74LS00N的与非门组成鉴相器，对加、减法计数和置零操作进行处理；该输入方式能与标准的增量式角度编码器进行连接，每旋转一周(360度)，零位信号会触发一次，根据编码器的精度不同计数值不同；加法计数信号对应原理图中的IN-A信号线；减法计数对应于原理图中的IN-B信号线；零位信号对应于原理图中的IN-Z信号线。

本发明12位/8位转换由2片74LS193N选择器芯片实现高、低位数据分时读取和总线复用；与标准GPIO连接时，用一个片选信号分两次读取的角度信号，然后移位相加得出角度值；片选信号为原理图中所标的IN-A/B控制线；通过片选芯片74LS157N与GPIO板卡或者控制主机的数据总线相连，对应于原理图中的OUT-D0至OUT-D7信号线。

本发明的有益效果是：1.解决上位机没有串行接口时的光电编码器数据的读取问题。现在很多笔记本电脑、平板电脑和单片机由于体积和速度原因放弃了串行接口，本发明电路提供了通过GPIO进行数据的读取的方案。对于微型或单片计算机，比如RaspberryPI、Arduino等，可以直接采用设备本身的GPIO口读取数据；若为个人PC机或者笔记本电脑，需要采用一块GPIO板卡实现数据读取。2.解决了上位机的GPIO数据总线有限的问题。本发明采用的高、低位分时读取方式，可以用9个IO口读取12位的编码信号，在IO总线数量比较紧张的情况下，仍然可以实现数据的读取。3.解决了串口数据读取的速度较慢的问题，本发明放弃串口读取方式，采用GPIO的数据读取方式，可以提高数据读取速度，可以应用到变化较为频繁的角度测量中。

附图说明

图1为基于I/O板卡的角度光电编码器计数电路的原理图；

图2为基于I/O板卡的角度光电编码器计数电路零件清单；

图3-1，图3-2为基于I/O板卡的角度光电编码器计数电路的PCB电路板图；其中3-1为顶层PCB板；3-2为底层PCB板(非镜像)；

图4为基于I/O板卡的角度光电编码器计数电路的实施连接示意图；

图5为光电编码器的模拟输出波形；

图6为浓度固定的葡萄糖溶液的偏振角度检测曲线；

图7为浓度随时间变化的特罗格尔碱溶液的偏振角度检测曲线。

具体实施方式

一种基于GPIO的角度光电编码器计数电路，本发明特征在于：(1)用1片型号为74LS74AN的D触发器和2片型号为74LS00N的与非门组成鉴相器，分别实现加法、减法和零位信号的鉴别；(2)由3片74LS193计数芯片串联组成计数电路，计数总和为2^12＝4096级；(3)由2片74LS193N总线复用芯片实现输出信读取；(4)电路供电为+5V稳定电压，提供LED电源指示。本基于GPIO的角度光电编码器计数电路的PCB印制板设计如图3所示。

该基于I/O板卡的角度光电编码器计数电路的元件分布和PCB设计图见图3。电路采用双面PCB板结构，其顶层PCB设计如图3-1。元件全部焊接在PCB的顶层一侧，插针IN与前端光电编码器连接，插针OUT与后端IO口连接，电源插针则与+5V稳压源连接。底层PCB板设计了接地丝网，以减少外部干扰，如图3-2。

该基于I/O板卡的角度光电编码器计数电路的实施连接示意图为图4所示。其输入端的A、B和Z端与增量式角度编码器的A、B和Z端对应连接，Vcc和GND为角度编码器供电；输出端的OUT-D0到OUT-D7连接到GPIO的IN-D0到IN-D7，传递角度信号；输出端的IN-D0与GPIO的OUT-D0连接，进行高、低位信号的选择。GPIO不由本计数电路供电，需要单独供电。

图5为光电编码器的模拟输出波形：当光电编码器顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B输出波形90°，D触发器输出Q(波形W1)为高电平，Q(波形W2)为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过(波形W3)，送至双向计数器74LS193的加脉冲输入端CU，进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其输出为高电平(波形W4)。当光电编码器逆时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90°，D触发器输出Q(波形W1)为低电平，Q(波形W2)为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平(波形W3)；此时，下面与非门打开，计数脉冲通过(波形W4)，送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD，进行减法计数。

本发明根据在线旋光检测的技术要求，在8位IO上实现4096级的加减计数，当采用2000线增量角度传感器时，可以实现最小0.18度的可分辨角度测量，角度测量的量程为-180度到+180度。如果采用600线的增量角度传感器，则最小可分辨角度为0.6度，量程仍然为-180度到+180度。

本发明所公开的基于GPIO的光电角度编码器计数电路在具体实施时需要与旋光检测器配套使用。电路前端连接增量式角度编码器的A、B和Z信号输出端，同时为编码器提供+5V电源；电路后端与8通道IO接口连接构成数据输出总线，同时IO口与片选信号连接，实现角度值的高地位分时读取；整体电路由+5V稳压电源供电，通过由LED实现通电指示。

实施例1

旋光仪角度测量采用2000线的增量式编码器H38S，I/O板卡采用双诺的MP401L的8路IO板卡，用其D/A输出作为片选信号。角度变化被角度传感器采集，然后本电路实现角度的计数并输出到MP401L的IO口中，在主控计算机中被通过计算转换成对应的旋光角度值。主控端计算机操作系统为WindowsXp，用Delphi6.0编程实现MP401L的控制。被测物为浓度固定的葡萄糖溶液。样品室中先注入蒸馏水进行零点校正，之后在不同时间注入该样本葡萄糖溶液进行旋光检测。图6为检测的结果，可以看出三次测量的角度偏转基本上一致的，说明样本溶液的浓度不随时间改变。

实施例2

旋光仪的角度测量采用2000线的增量式编码器H38S，I/O板卡采用双诺的MP401L的8路IO板卡，用其D/A输出作为片选信号。主控端计算机操作系统为WindowsXp，用Delphi6.0编程实现MP401L的控制。在旋光仪检测室中固定本在线检测池，入口处连接液相手性分离柱输出端。用微量进样器注入不同浓度的特罗格尔碱，流动相为pH＝2经过0.45μm滤膜过滤超声脱气的高氯酸溶液，流速为0.5mL/min。测量对特罗格尔碱的手性拆分图，图7为拆分结果。可以看出，偏转角度随着时间而改变，左旋物质先出现，右旋物质后出现，角度上的改变可以完全体现所流过的液体的手性特征。

Claims

1.一种基于GPIO的角度光电编码器计数电路，其特征在于：(1)用1片型号为74LS74AN的D触发器和2片型号为74LS00N的与非门组成鉴相器，分别实现加法、减法和零位信号的鉴别；(2)由3片74LS193计数芯片串联组成计数电路，计数总和为2^12＝4096级；(3)由2片74LS193N总线复用芯片实现输出信读取；(4)电路供电为+5V稳定电压，提供LED电源指示。

2.如权利要求1所述的基于GPIO的角度光电编码器计数电路，其特征在于，所输出的角度数据中高8位数据中的前4位信号为0，仅后4位信号有效，与低8位信号组合，一共实现2^12＝4096级的计数，同时要求后续读取电路采用分时读数方案，并通过高、低位组合计算对应角度。

3.如权利要求1所述的基于GPIO的角度光电编码器计数电路，其特征在于，其角度计数采用1片型号为74LS74AN的D触发器和2片型号为74LS00N的与非门组成鉴相器，对加、减法计数和置零操作进行处理；该输入方式能与标准的增量式角度编码器进行连接，每旋转一周(360度)，零位信号会触发一次，根据编码器的精度不同计数值不同；加法计数信号对应IN-A信号线；减法计数对应于IN-B信号线；零位信号对应于IN-Z信号线。

4.如权利要求1所述的基于GPIO的角度光电编码器计数电路，其特征在于：12位/8位转换由2片74LS193N选择器芯片实现高、低位数据分时读取和总线复用；与标准GPIO连接时，用一个片选信号分两次读取的角度信号，然后移位相加得出角度值；片选信号为原理图中所标的IN-A/B控制线；通过片选芯片74LS157N与GPIO板卡或者控制主机的数据总线相连，对应于OUT-D0至OUT-D7信号线。