基于CPLD的編碼器解碼接口、PWM輸出方案

圖2：解碼計數部分的原理

　　SM2100芯片有1-4通道16位ABZ相編碼器計數器。通過讀取各通道的計數寄存器（CNT*）可以得到該通道當前的計數值。對各通道的計數清零寄存器（CNT*_CLR）的寫操作將把該道的計數寄存器清零。
　　每道計數器的輸入端都有4倍頻電路和3階數字濾波器電路。數字濾波器的帶寬分4檔可調，分別是10M,5M,2.5M,625K，分別可以濾除ABZ 相信號上的寬度小于300ns、600ns、1.2us、4.8us的干擾。對模式寄存器（MODE）的寫操作可以分別設定各通道的濾波器帶寬。
　　在Z相信號的上升沿，會把當前的編碼器計數值鎖存在索引寄存器（CNT*_IDX）中，同時把狀態寄存器（STATUS）中的對應標志位置1。CPU 芯片可以依據SM2103的狀態寄存器和索引寄存器的值進行回零點處理。狀態寄存器的索引標志位在狀態寄存器讀操作后自動清零。
　　B、PWM輸出
　　SM2100芯片有1-4通道16位PWM輸出。用于產生互補（差分）的脈寬調制信號有死區控制功能。可以用來對3相位晶體管的控制完成電機控制中的功率驅動和3相逆變器功能，也可以或結合低通濾波完成DA轉換功能。
　　PWM輸出脈沖的周期可以通過往控制寄存器PWM_TL、PWM_TH寫入數據來設置。有效數據為16位，即PWM_TL的8位和PWM_TH的低4位。
　　第n通道的脈沖寬度可以通過往控制寄存器PWM_WnL、PWM_WnH寫入數據來設置。有效數據為16位，即PWM_WnL的8位和PWM_WnH的低4位。
　　往PWM_EN寄存器的最低位寫入1時，使能PWM；寫入0時，禁止PWM輸出（輸出0電平）。
　　當PWM脈沖寬度的設置大于脈沖周期的設置值時，輸出脈沖的占空比保持為100%。
　　C、通用IO應用
　　對SM2100芯片的通用輸入輸出的操作，直接對GPI 、GPO寄存器進行讀寫即可。這項功能可以用來完成對系統中的開關量控制，或類似于PLC中的I/O點控制。
　　2、 2100的應用方案舉例介紹
　　2.1 SM2100芯片在運動控制卡中的應用：基于PCI的讀數卡SMP330
　　SMP330卡是利用SM2103及PCI接口芯片設計出的32位PCI總線的3通道AB相解碼計數和PWM輸出卡。該卡適用于電機控制，數控機械系統中的位置監測。它體現了上述SM2100系列芯片的一切功能特點，包括3通道16位A/B相編碼計數器，3個16位的PWM信號輸出，和多路通用的數字輸入、輸出通道。
　　因為是板卡級別的產品，因此還做了系統性質電路調理處理。例如編碼器信號接口采用差分輸入接收，高速光電隔離；PWM輸出經過74LS06芯片OC輸出；數字量的輸出輸入都經過光電隔離，其中輸出還經過達林頓管增加驅動電流；此外還在板上增加了隔離電源模塊，用以增加系統的抗干擾性。
　　下圖3是SMP330的系統功能框圖：

　　SMP330卡可以用到多個應用領域：電機控制、過程監視、工業過程控制。具體的有：抄數機、測量分析儀器、半自動化定位機器、PC機數顯等。它可以完成系統中的讀數功能，也就是對實際位置/速度信息的測量，還有利用PWM功能對電機進行控制，同時數字GPI/O功能也可以用來對系統進行I/O擴展。
　　比如抄數機。我們在實際工件的設計生產中，對一些較復雜或不規則工件的機械外型設計比較困難，同時也特別消耗時間。這種情況下，如果有實際的參考實物，利用抄數機的位置探測部位對實物的外殼的實際位置信息快速而又精準的測得，直接利用測得的數據恢復出其“外貌”來，則設計就是一個快速高效的仿制了。那么這個抄數機設備中主要的處理部件就可以利用SMP330卡來實現。

圖3：是SMP330的系統結構框圖

　　2.2 SM2100芯片在數字伺服驅動器中的應用
　　已經有部分客戶利用SM2100芯片方案來實現其伺服驅動器產品了，在產品里擔當速度與位置的接口處理功能，以及對PWM輸出產生的功能。
　　此處以無刷直流數字伺服驅動器為例。一個無刷直流電機的控制原理框圖可以用下圖4來表示。

圖4：無刷直流電機的控制框圖

　　我們如果對上圖3進行深一步的全數字化電路設計性細分，可以得到如下的圖5數字直流伺服系統功能框圖：

圖5：數字直流伺服系統框圖

　　那么，在上圖5中蘭色框體部分就可以用SM2100系列芯片方案來實現，灰色框范圍內的功能則可以用DSP或FPGA來實現，這樣就形成一個全數字伺服系統方案。當然在這個系統中，SM2100只是成但部分的功能及接口，主體的閉環算法處理是在DSP或FPGA實現（用FPGA方案實現也是深圳市斯邁迪科技發展有限公司的產品之一，它囊括了2100在內，更主要的是新型FPGA的特點使得比起DSP方案來有獨到的優勢，此處不再贅述）。
　　這樣的方案里面，結合SM2100來實現，優點是增加系統可靠性、性能好。
　　綜上所述，一個數字直流伺服系統（驅動器）的處理部分實現，就可以用一個DSP結合一個SM2100芯片就完成了。