一种简单实用的测角码盘设计方案

在测控系统中，角度测量是一个常见且重要的任务，特别是在需要精确控制或监测转动机构的位置和速度时。本文将详细介绍一种简单实用、成本低廉且易于实现的测角码盘设计方案，并详细阐述主控芯片在其中的作用及具体型号选择。

一、设计方案概述

测角码盘的设计需满足简洁易操作、精确度高、耐用可靠等基本要求。本设计方案采用光电码盘技术，通过光电传感器和编码胶片实现角度的精确测量。该方案具有结构简单、成本低、稳定性好、寿命长等优点，适用于多种应用场景。

二、硬件结构设计

2.1 基本组成

本测角码盘主要由以下几部分组成：

• 发光管与接收管：用于产生和接收信号。每个管内包含两套收发装置，分别位于相互平行的平面内。

• 编码胶片：圆形，黑白相间且宽度相同，放置于发光管与接收管之间，可绕其轴心旋转。

• 信号处理电路：将原始模拟信号转换为数字信号，并进行进一步处理。

• 主控芯片：负责整个系统的控制、数据处理和通信。

2.2 工作原理

1. 信号产生：

• 发光管连续发射信号，当编码胶片上的黑色部分正对发光管时，信号被遮挡，接收管接收不到信号；当白色部分正对时，信号透过胶片射到接收管上。

• 通过编码胶片的旋转，接收管得到两路连续变化的正弦波信号（A信号和B信号）。

2. 方向判别：

• 由于编码胶片宽度是收发装置距离的两倍，且两收发装置位置关系特定（如B=(0.7n+0.35)+A，n=0），当编码胶片旋转时，A、B信号的变化规律不同，通过比较A、B信号的变化可以判断旋转方向。

3. 信号处理：

• 将接收到的正弦波信号经过跟随器处理，转换为以+2.5V为振荡中心的正弦波信号。

• 通过放大器将信号放大，再经施密特触发器整形，转换为方波信号输入单片机。

2.3 材料选择

• 编码胶片：采用高透光性和耐磨损的材料，如聚酯薄膜，确保信号传输的稳定性和耐久性。

• 发光管与接收管：选择高灵敏度和低功耗的器件，如红外发光管和光敏二极管。

• 信号处理电路：采用集成度高、稳定性好的电子元件，如运算放大器、施密特触发器等。

三、主控芯片选择及作用

3.1 主控芯片类型

在测角码盘设计中，主控芯片是整个系统的核心，负责数据采集、处理、控制及通信等功能。常见的主控芯片类型包括ASIC（专用集成电路）、FPGA（现场可编程门阵列）、DSP（数字信号处理器）和微控制器（MCU）等。针对本设计，推荐选用微控制器作为主控芯片，因其成本低、开发简便、易于集成。

3.2 具体型号及作用

以STM32F103系列微控制器为例，该系列芯片具有高性能、低功耗、丰富的外设资源和易于开发等特点，非常适合用于测角码盘的控制系统中。

具体型号：STM32F103C8T6

作用：

1. 数据采集：

• 通过内置的ADC（模数转换器）模块，实时采集由信号处理电路输出的方波信号，并将其转换为数字信号进行处理。

• 利用定时器功能，精确测量信号的周期和相位差，从而计算出编码胶片的旋转角度和速度。

2. 数据处理：

• 实现角度数据的解算和校准，提高测量精度。

• 根据实际应用需求，进行数据的滤波、平滑等处理，减少噪声干扰。

3. 控制功能：

• 根据测量结果，控制外部设备（如电机驱动器）进行相应操作，实现闭环控制。

• 监测系统运行状态，及时发现并处理异常情况，确保系统稳定运行。

4. 通信功能：

• 提供多种通信接口（如USART、SPI、I2C等），方便与上位机或其他设备进行数据交换和远程控制。

• 实现数据的实时传输和存储，便于后续的数据分析和处理。

3.3 编程与调试

使用STM32F103C8T6微控制器时，需使用Keil MDK或IAR Embedded Workbench等开发工具进行编程和调试。通过编写固件程序，实现上述各项功能。在调试过程中，可利用STM32的调试接口（如JTAG或SWD）进行在线调试和程序下载。

四、软件设计

4.1 状态编码与数据处理

根据A、B信号的相位差，可以判断编码胶片的旋转方向和位置。通过软件编程，实现状态编码和数据处理功能。具体步骤如下：

1. 初始化：

• 初始化微控制器的内部寄存器和外设（如ADC、定时器、通信接口等）。

• 设置工作模式和通信参数。

2. 数据采集：

• 定时采集A、B信号的数字值。

• 计算信号的周期和相位差。

3. 状态编码：

• 根据A、B信号的相位关系，判断编码胶片的旋转方向和位置。

• 将旋转方向和位置信息转换为相应的数字编码。

4. 数据处理：

• 对采集到的数据进行滤波、平滑等处理，提高数据精度。

• 根据应用需求，进行进一步的数据分析和处理。

4.2 通信与显示

• 实现与上位机或其他设备的通信功能，实时传输测量数据。

• 设计人机交互界面（如LCD显示屏），显示测量结果和系统状态信息。

五、应用实例与验证

将本设计方案应用于某型转达训练系统上，用于连续采集空中飞行目标的方位角和高低角。通过实际测试，验证该设计方案能够准确、稳定地测量目标参数，满足系统对目标进行连续跟踪的需求。同时，通过调整编码胶片的精度和信号处理电路的参数，可以进一步提高测量精度和稳定性。

六、结论与展望

本文介绍了一种简单实用、成本低廉的测角码盘设计方案，详细阐述了硬件结构设计、工作原理、主控芯片选择及作用、软件设计等方面内容。该设计方案具有结构简单、成本低、稳定性好、寿命长等优点，适用于多种应用场景。未来，可以通过进一步优化硬件结构和软件算法，提高测量精度和响应速度，以满足更高精度的角度测量需求。同时，也可以探索将其他先进技术（如机器学习、物联网等）引入测角码盘设计中，实现更加智能化、自动化的测量与控制。