基于Labview的旋转编码器转角及转速测量仪的设计

第30卷　第3期

2008年6月三峡大学学报(自然科学版)

JofChinaThreeGorgesUniv.(NaturalSciences)Vol.30No.3Jun.2008

基于Labview的旋转编码器转角及转速测量仪的设计

张　力

(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌　443002)

摘要:在分析了旋转编码器的工作原理的基础上,设计了其测量仪的信号调理电路,提出了传感

器、调理电路、数据采集卡和计算机之间的连接方案,在Labview软件平台上编制转角及转速的测量程序,设计的虚拟仪器较传统仪器能缩短开发周期,并且具有测量精度高、硬件电路简单、性能可靠和功能可扩展的特点.关键词:旋转编码器;　转角和转速测量;　Labview软件;　虚拟仪器中图分类号:TH824　　　文献标识码:A　　　22Designofanand

SpeedonLabview

ZhangLi

(CollegeofEngineering,ChinaThreeGorgesUniv.,Yichang443002,China)Abstract　Basedonofthemeasuringprincipleofrotaryencoder,aconditioningcircuitofinstrumentisdesigned;methodofconnectingrotaryencoder,conditioningcircuit,DAQcardandcomputerispresented;andprogramofmeasuringangleandspeedisprovided.ThisvirtualinstrumentdesignedbasedonLabviewhassomemeritscomparedwithtraditionalone,suchasprecisiontesting,finereliability,economicalcostandshortdevelopmentperiod,flexiblefunctional2extension,etc..

Keywords　rotaryencoder;　measurementofangleandspeed;　Labview;　virtualinstrument

　　Labview是美国NI公司推出的基于计算机软、硬件的虚拟仪器开发软件.虚拟仪器利用计算机强大的图形环境和运算能力,与功能化硬件模块结合起来,建立虚拟仪器面板,代替传统仪器的使用方式,提高了仪器的功能和效率.

使用虚拟仪器技术设计以旋转编码器为传感器的测量仪,可实现对被测物体转角和转速的实时监测,为进一步分析和处理测量数据构建了一个灵活和可扩展的软硬件平台.

机械转角转化成脉冲信号的传感器.由于脉冲的个数与转角量成正比关系,因此被测物体的转角信息可通过脉冲计数得到,同时转速信息,可通过测量脉冲的频率来获得.

根据旋转编码器测量原理,绘制的其虚拟仪器硬件框图见图1.

1　基于Labview的旋转编码器测量仪

的硬件设计

[1]

图1　基于Labview的旋转编码器转角

及转速测量仪的硬件框图

旋转编码器是一种通过光电转换将被测物体的

收稿日期:2007209218

通讯作者:张　力(1970-),男,副教授,硕士,主要研究方向为机电一体化技术.

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由于被测物体既可以正转,也可以反转,所以需

要对编码器的输出信号鉴相后才能计数.图1中,鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成.鉴相原理如图2所示,当旋转编码器正转时,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U1)为高电平,Q(波形U2)为低电平,上面与非门打开,正转脉冲通过(波形U3),送至DAQ采集卡的计数器0进行计数;此时,下面与非门关闭,其输出为高电平(波形U4).当旋转编码器反转时,通道A输出波形比通道B输出波形滞后90°,D触发器输出Q(波形U1)为低电平,Q(波形U2)为高电平,上面与非门关闭,其输出为高电平(波形U3);而此时下面与非门打开,反转脉冲通过(波形U4),送至计数器1进行计数

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图3　图3中源程序调用了的VI,即I,由于设计需要对,同时脉冲信号,EventSource/Timebase端子应,,且SourceEdge端子设置为countonrisingedge.这两个VI的采集卡设备号和计数器号分别为1、0和1、1,它们从While循环一开始进行计数,直到用户按下计数停止按钮.在程序循环的过程中,用于计数正转脉冲和反转脉冲的两个计数器计得的结果相减,再乘以脉冲当量0.1度(相当于除10)得到实时转角,然后显示在前面板上.

图2　正反转相关信号波形图

图2中鉴相电路把正转脉冲与反转脉冲分离开来,分别输入到DAQ采集卡的计数器0和计数器1进行计数,计算机采集两个计数器计得的脉冲数,对它们进行相减再乘以脉冲当量,就能获得被测物体实时转角信息.同时把A路脉冲通过采集卡的模拟通道0,不断采样到计算机中,然后依靠软件方法测得脉冲的频率值,并换算可得到相应的转速.

被测物体的转速信息可通过测量编码器发出的

脉冲信号频率来获得,但是把采样后的脉冲信号进行离散傅立叶变换获得其频率信息时,可能会出现栅格效应,造成频率测量的偏差,解决这一问题的关键是要尽可能做到整周期采样,采样频率需是信号频率的整数倍.

由于事先并不知道采样的信号频率信息,不可能

选用欧姆龙E6H2CWZ6C增量型编码器,其分辩率为3600P/R,即编码器转一圈,则产生3600个脉冲,脉冲当量为0.1度.同时选用的数据采集卡型号是NI公司的PCI26013E,它的单通道采样率可达200kHz,配有两个24位计数器.

Labview虚拟仪器程序VI由前面板和框图程序

3　旋转编码器的转速测量模块的软件

设计

2　旋转编码器的转角测量模块的软件

设计

[223]

一次做到整周期采样,所以先预设一个频率初值,据此来配置采样参数,并按采样参数测量脉冲信号的频率,若测得的频率值与频率初值的偏差超过精度范围,则再以该频率值配置采样参数来测得新的频率值,新的频率值与上个频率值的偏差若不满足精度要求,则按上述方法重复采样和测量,直到获得精确的频率测量值.

按照这种基于迭代逼近思想的测量方法绘制的程序流程图如图4所示.根据程序流程图4设计的转速测量的源程序见图5.

组成,前面板是人机交互的界面,界面上有用户输入和显示输出两类控件,框图程序则是用户编制的程序源代码,以控制和定义在前面板上的控件输入和输出功能.图3为旋转编码器的转角测量源程序

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第30卷　第3期　　　　　　　　　　张　力　基于Labview的旋转编码器转角及转速测量仪的设计69

基波频率即可.若转速的单位为r/min,则脉冲当量

为0.1度的旋转编码器的转速与频率的比例系数为f/60,所以把脉冲信号基波频率除以60,就可得到其转速,然后以数值和表盘的形式显示在前面板上.图6为旋转编码器的转角和转速测量的前面板

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图6设计的虚拟仪器利用计算机软件代替复杂的硬

件电路,采用Labview软件、通用采集卡和简单的调理电路迅速搭建测量系统,它较之传统仪器具有测量精度高、开发周期短、成本低和可靠性强的特点,而且可进一步地扩展如数据分析、数据存储打印和网络远程监控等.参考文献:

图5中AIAcquireWaveformVI可完成单通道波形采集,其采集卡设备号和模拟通道号为1,0,模数转换的电压范围是-10～+10V,采样参数随程序循环运行不断调整以最终实现整周期采样.ExtractSingleToneInformationVI可用于检测信号基波的频率、幅值和相位,而设计只需该VI输出采样信号的

[1]　刘君华.基于Labview的虚拟仪器的设计[M].北京:电

子工业出版社,2003.

[2]　邓　焱,王　磊.Labview7.1测试技术与仪器应用

[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3]　吴正毅.测试技术与测试信号处理[M].北京:清华大学

出版社,1991.

[责任编辑　张　莉]