基于CPLD的编码器解码接口、PWM输出方案

引言
　　在数控机床或其他数控设备中，往往都会用到光栅尺或编码器等位置传感部件，用以来测量机械运动部件的实际运动位置及速度信息。那么光栅尺或编码器测量到的数值，就需要专门的接收部件来处理。一般的编码器输出的信号是AB（或ABZ）相正交编码信号，之所以这样编码也是为了将方向信息加入码流，同时也有利抗干扰等方面的处理。因此在接收这个信号时就需要专门的解码接口电路，将所得的数据也就是实际运动位置/位置信息传递给处理单元，或通过总线（比如 PCI）传递给数控设备的中央控制系统中，让控制系统的软硬件根据测来的实际信息与理想（逻辑）信息进行对比，然后根据比较的误差结果再去调节运动部件的位置和速度，或做其他中断、开关性的输出动作以达到控制机械运动的目的。甚至，通过一套完整的算法来把位置、速度、力矩等信息纳入体系中来，做实时反馈处理，这也就是我们所说的闭环（半闭环）处理，我们常见的算法就是PID(或PI)算法。这样以来，就比较方便于让机械设备在全自动的运行下达到快、准、柔的特性。
　　1 、用CPLD来实现编码器解码接口及PWM输出功能
　　现在市面上已经有专用的编码器信号/AB相正交编码信号解码接口芯片，主要是欧美等国家提供的芯片，比如HCTL-2016/HCTL-2020等产品。但是这些产品性能价格比还是比较差，功能不够丰富，使用起来也不灵活方便，很难适合广大客户的需求。
　　而用中规模的CPLD来完成AB相正交编码信号解码功能的设计，就成了一个选择，加之CPLD的可塑性，及日益走好的性价比趋势，这种方案甚至成为了唯一的最优选择。
　　一般情况，Altera/Lattice/Xilinx的市面主流的CPLD都可以满足设计的需求，逻辑在中等规模，约500-1000宏单元，就可以完成1-4通道解码AB相正交编码信号解码功能，并且可以外加1-4通道的PWM发生，以及多路数字量I/O的扩展功能。或者完成1-4轴AB相解码外加可编程脉冲发生功能。
　　而要充分利用CPLD的资源，并且达到一个高性能、高可靠性的设计，是需要足够的技术力量保障的，这样才会有高性加比的产品出现。
　　深圳市斯迈迪科技发展有限公司正式这样的公司，专业从事运动控制SOPC（即CPLD、 FPGA）的芯片级技术方案和平台级技术方案开发，并向市场推出多款运动控制SOPC芯片产品。其中SM2100系列就是1-4路的ABZ相编码器信号的解码及PWM输出功能SOPC产品。
　　以下是2100系列的功能介绍
　　1.1 SM2100特点简介
　　SM2100提供了1-4通道的ABZ相解码、4倍频、16位的编码器计数范围和16位的PWM脉冲发生的功能。同时在芯片内部附加了8路通用输入和8路通用输出。由于芯片是SOPC技术方案，因此还可以根据客户的具体需求做定向化的设计。
　　图1是其功能框图。下面是其性能指标：
　　输入时钟CLK频率最高到80MHz，标准输入频率40MHz；
　　PWM的占空比调节范围0～4095，频率调节范围150Hz~150KHz；
　　16位编码器计数器，可达计数范围为：1~ 65535；
　　AB相输入可4倍频，AB相输入内接3阶数字低通滤器，滤波带宽4级可调。

图1：SM2100功能框图

　　1.2 SM2100的设计应用说明
　　SM2100是一个SOPC方案，它的应用特点如同常见的ASIC一样方便，通过8位CPU接口与主控器件接口，通过内部寄存器来设置其工作状态及功能。
　　其中CPU接口非常简单：
　　8根双向数据总线：D0~7；
　　7根地址总线：A0~6；
　　1根片选线：CS_n；
　　1根读允许线：RD_n；
　　1根写允许线：WR_n。
　　也可以根据用户需要，提供16位总线接口。除了数据总线增加到16根外，其它信号与8位总线接口相同。
　　下面是主要的功能设置寄存器介绍。通过这些寄存器的描述，应用工程师们可以一目然地看清了SM2100的具体功能及如何使用。

　　1.3 SM2100的主要功能原理及应用介绍
　　A、编码器解码计数功能
　　下图2是解码计数部分的原理：