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摘 要：为分析高速高精控制系统中运动物体的定位情况，设计一个基于TMS320F2812的正交编码脉冲的数据采集系统。一方面，在TMS320F2812上编写数据采集程序；另一方面，采用VC++语言设计上位机应用程序。实验证明，上位机应用程序实现数据的图形显示和文本导出等基本功能，并且上位机应用程序显示的图形与其他软件显示的图形一致。该数据采集系统电路简单可靠，适用于能够产生正交编码信号的传感器的数据采集。
关键词：TMS320F2812；数据采集；正交编码脉冲；上位机应用程序
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）05-0075-04
Abstract： In order to analyze the localization of moving objects in high-speed and high-precision control systems， a data acquisition system based on TMS320F2812 has been designed to collect quadrature encoder pulses. For one thing， a data acquisition program was written in TMS320F2812； for the other， PC application was designed with VC++ language. The experiment demonstrates that basic functions can be realized through PC application， such as graphical data display and text export. Moreover， the graph shown on the PC application complies with that displayed on other software. The data acquisition system has simple and reliable circuit and is suitable for the data acquisition of sensors that are capable of generating quadrature encoder pulses.
Keywords： TMS320F2812； data acquisition； quadrature encoder pulse； PC application
0 引 言
在高準确高速的运动系统中，如果采用光栅位移传感器来对系统中的运动物体进行位置检测，高准确度与高速度都使得光栅位移传感器的脉冲频率提高。在控制系统中，端子板通过对编码器反馈信号等进行光耦隔离，防止烧坏控制主板及I/O口，起到保护主板的作用。这样，由于光耦隔离的存在，光栅位移传感器产生的脉冲的频率不能大于端子板光耦所允许的最大频率。所以，为了分析高精高速系统中运动物体的定位情况，就要使光栅位移传感器产生的脉冲不经过端子板而被其他采集系统采集。
很多学者都采用过DSP芯片（如TMS320F2812，
TMS320C5402）进行数据采集，但是他们都是结合各种AD转换器进行模拟量的采集[1-4]。除此，在完成数据采集后，一些学者用TMS320F2812进行FFT变换等[5-7]。简明远等[8]设计的数据采集系统由AD采样电路、FPGA电路和DSP电路组成。另外，还有学者利用TMS320F2812内置的AD转换器进行数据采集[9-10]。
本文针对正交编码脉冲设计了数据采集系统，它运用TMS320F2812的正交编码脉冲电路（QEP）[11]对光栅位移传感器信号进行处理，电路简单可靠。而且，采用VC++语言设计了上位机应用程序实现数据的图形显示和文本导出等基本功能。
1 数据采集结构
宏微平台控制结构如图1所示，宏动平台被运动控制卡PMAC的第1轴（1#）控制，微动平台被第2轴（2#）控制。宏动平台以旋转电机作为动力源，通过丝杆将旋转运动转化为直线运动，并相对于标尺光栅运动；微动平台以压电陶瓷作为动力源，相对于宏动平台作直线运动。这样，宏动平台与微动平台在PMAC的控制下可以在一个方向上做往返直线运动。
宏微平台通过宏动平台完成长距离的运动，在整个运动过程中，微动平台通过光栅位移传感器的反馈随时对宏动平台进行补偿。因此，在宏动平台与微运平台的共同作用下，宏微平台能够快速并精确地定位。
在这个控制系统中，光栅位移传感器发出的脉冲首先通过端子板，然后到达PMAC卡。所以，当宏动平台相对于标尺光栅高速运动时，由于端子板的光耦隔离的影响，PMAC卡不能实现对光栅位移传感器信号的完全补获。因此，为了分析宏动平台在高速运动时的定位情况，设计基于TMS320F2812的数据采集系统，如图2所示。TMS320F2812的最大振荡频率可以达到150 MHz，即允许光栅位移传感器产生的脉冲的最大频率为37.5 MHz，远远大于光耦所允许的最大频率。
在图2中，脉冲1与脉冲2组成正交编码脉冲，即两个频率可变，有固定1/4周期相位差（即90°）脉冲序列。所以，可以通过两路脉冲的先后次序确定电机的转动方向，根据脉冲的个数与频率，分别确定电机的角位置和角速度。
另外，在对高速高精运动系统中的运动物体进行位置采集时，如果采集频率过大，就会导致采集样本总量增加，从而使TMS320F2812不能完全存储所有数据。如果采集频率过低，又会使得采集的数据不能全面地反映运动物体的位置情况。由于只需要获得运动物体在目标位置点附近的运动情况，所以，只通过TMS320F2812对运动物体到达目标位置前进行编码输入脉冲上下沿的计数，而不进行数据采集。一旦运动物体到达目标位置，TMS320F2812就启动数据采集，这样，就可以设置合适的采样频率来得到运动物体全面的定位情况。 2 TMS320F2812的事件管理模块
TMS320F2812的事件管理模块（EVA和EVB）包括通用定时器、正交编码脉冲电路（QEP）。运用这两个模块能实现正交编码脉冲的采集。
通用定时器具有4种计数操作，在定向递增/递减计数模式下，通用定时器2（或4）可以与QEP电路结合使用，此时QEP电路为定时器提供时钟和方向输入。但不能通过通用定时器的预定标电路设置预定标参数，即当采用QEP电路提供输入时，预定标参数总是1。而且，由于通用定时器在QEP电路的上升沿和下降沿都进行计数，QEP电路产生的时钟频率是每个QEP输入的通道频率的4倍，因此，QEP输入频率必须小于等于内部CPU时钟的1/4。
TMS320F2812事件管理模块中的QEP电路的方向检测逻辑确定哪个脉冲相序列超前，然后产生一个方向信号作为通用定时器2（或4）的方向输入。如果CAP1/QEP1（对于EVB是CAP4/QEP3）引脚的脉冲输入是相位超前脉冲序列，那么定时器就进行增计数；相反，如果CAP2/QEP2（对于EVB是CAP5/QEP4）引脚的脉冲输入是相位超前脉冲序列，那么定时器就进行减计数。
通用定时器2（或4）总是从它的当前计数值开始计数，并根据CAP1/QEP1（对于EVB是CAP4/QEP3）引脚和CAP2/QEP2（对于EVB是CAP5/QEP4）引脚的脉冲输入情况进行增计数或减计数。增计数情况下，在通用定时器的计数器增计数到周期寄存器值时，定时器的计数器清0，继续重新增计数到周期寄存器的值。减计数情况下，在通用定时器计数减计数到0时，定时器重新装载周期寄存器的值，并继续减计数。当通用定时器计数器与周期寄存器匹配一个时钟周期后，周期中断标志位置位。如果周期中断未被屏蔽，将产生一个周期中断请求。
3 TMS320F2812程序设计
3.1 程序总体设计
在图1所示的控制系统中，PMAC卡给宏动平台发送命令使其到达目标位置，但是，当宏动平台快速到达目标位置后会产生定位偏差。如果光栅尺的分辨率为0.05 μm，由于16位通用定时器的最大计数值为65 536，最大偏差可以达到3 276.8 μm。
分析宏动平台在高速运动时的定位情况，只需当宏动平台到达目标位置时才启动数据采集。这样，在存储空间有限的情况下能够提高有用数据的采集量，并能够在较宽的采集频率范围中选择所需要的采集频。
TMS320F2812的程序流程图如图3所示。为了确定宏动平台是否到达目标位置，采用了通用定时器2进行正交编码脉冲上下沿计数的计数，使事件管理模块的QEP电路作为该通用定时器的时钟源，并采用通用定时器2的周期中断进行周期中断的计数。当通用定时器2的周期中断次数满足要求后，禁止通用定时器2的中断并启动通用定时器1进行数据采集，即在通用定时器1的周期中断函数中将通用定时器2的计数值存到内存中。
为了排除图1所示的控制系统在其他干扰的情况下错误地触发周期中断，因此用于通用定时器2的初值不能设置在0或者周期寄存器值附近。
在完成数据采集后就可以通过外部中断或条件执行程序，采用串行通信接口（SCI）实现TMS320F2812到上位机的发送。在数据发送程序中，通过查询发送缓冲寄存器准备好标志位把数据从TMS320F2812发送到上位机。当该位置位时，表示发送缓冲寄存器已准备好接收下一个字符，此时，向发送缓冲寄存器写入要发送的数据就能实现数据发送。而且，写数据到发送缓冲寄存器操作将自动清除发送缓冲寄存器准备好标志位。所以，每次发送下一个字符时，都需等待发送缓冲寄存器准备好标志位重新置位。
3.2 寄存器配置
设置好通用定时器2的计数器初值和周期寄存器能够确定宏动平台是否到达目标位置，设置好用于通用定时器1的计数器初值和周期寄存器能够确定数据采集的频率。
为了实现通用定时器的周期中断，在主程序中需要设置外围中断扩展PIE的相关寄存器，如PIE中断使能寄存器、CPU中断使能寄存器等。在通用定时器的中断程序中将周期中断标志位清零，将PIE中断应答寄存器的相应位清零。
另外，需要在主程序中设置好串行通信接口的相关寄存器。其中，SCI通信控制寄存器（SCICCR）可以设置SCI的数据格式，SCI控制寄存器1（SCICTL1）可以设置SCI发送器与接收器的使能位，SCI波特率选择寄存器（SCIHBAUD、SCILBAUD）可以设置波特率。
4 上位机应用程序设计
通过TMS320F2812采集來的数据只是以通用定时器的计数值保存在存储空间中，所以，为了实现实际位置值与相应的采样时间并存的存储方式，并且实现采样曲线的绘制和数据的文本导出，设计了基于VC++的应用程序界面。另外，为了实现TMS320F2812与上位机的串口通信，在上位机应用程序中还需要对上位机的串口进行设置。
数据采集应用程序界面中菜单项“文本文档”的子菜单项“读文本作图”能够读取文本数据作图，子菜单项“输出文本”能将数据以文本的形式存储起来。另外，菜单项“作图”能对上位机应用程序保存的数据进行作图。通过“串口设置”对话框，可以根据TMS320F2812的串行通信数据格式设置好上位机的串行通信数据格式。
通过“其他设置”对话框，可以根据采样频率以及光栅尺的分辨率设置采样中的时间比例与位置比例，从而得到所需要的数据。而且，通过修改逻辑_视口比例中的参数使数据图形能够在应用程序中得到较好的显示。
5 实验验证
在图1所示的控制系统中，使宏动平台以很快的速度进行运动，并用该数据采集系统在宏动平台到达目标位置后进行数据采集。完成数据采集后，在上位机软件上显示的曲线如图4（a）所示；当上位机软件中实现文本输出后，在办公软件Excel中得到的曲线如图4（b）所示。 由图可得，上位机软件能成功实现数据的文本导出，从而可以在其他数据处理软件中进行数据处理。另外，上位机软件能成功实现数据的图形显示，并且与其他软件上显示的图形是一致的。
6 结束语
本文介绍了一种基于TMS320F2812的数据采集系统，电路简单可靠，并能通过上位机软件实现图形显示与数据文本输出等基本功能。该数据采集系统针对正交编码脉冲信号而设计，所以，能够产生正交编码信号的传感器都可以作为该采集系统的信号源。
参考文献
[1] 那云虓，刘桂礼，刘刚. 基于AD73360和TMS320F2812的数据采集系统设计[J]. 测控技术与仪器仪表，2008（10）：92-96.
[2] 马俊，陈学煌. 基于DSP的多路数据采集系统设计[J]. 测控技术与仪器仪表，2007（12）：79-81.
[3] 蒲琪，杨保亮，代祥俊. 基于TMS320F2812的电子万能材料试验机测控系统[J]. 仪表技术与传感器，2007（10）：53-55.
[4] 张龙，周端，司栋森，等. 基于TMS320F2812高速数据采集系统的设计与实现[J]. 电光与控制，2007，14（1）：129-132.
[5] 万浩平，马进，王锋. 基于TMS320F2812的高精度数据采集及FFT实现[J]. 工业控制计算机，2009，22（4）：54-55.
[6] 潘伟，王汉功，张霞. 基于TMS320F2812 DSP的智能CAN节点设计[J]. 自动化仪表，2005，26（10）：36-37.
[7] 姚冉中，潘宏侠. 基于TMS320F2812的设备状态监测与分析仪的实现[J]. 仪表技术与传感器，2007（2）：8-10.
[8] 简远鸣，晏福平，刘念，等. 基于DSP的高速数据采集与处理系统[J]. 微计算机信息，2009，25（2）：130-132.
[9] 郭濤，张英祥，陈峰. 基于TMS320F2812的数据采集监测系统设计[J]. 机械工程与自动化，2010（1）：7-8.
[10] 孙元敏，尹立新，杨书涛. 基于TMS320F2812的高速数据采集处理系统[J]. 计算机工程，2009，35（2）：242-244.
[11] 万山明. TMS320F2812xDSP原理及应用实例[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007：141-147.
（编辑：刘杨）
关键词：TMS320F2812；数据采集；正交编码脉冲；上位机应用程序
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）05-0075-04
Abstract： In order to analyze the localization of moving objects in high-speed and high-precision control systems， a data acquisition system based on TMS320F2812 has been designed to collect quadrature encoder pulses. For one thing， a data acquisition program was written in TMS320F2812； for the other， PC application was designed with VC++ language. The experiment demonstrates that basic functions can be realized through PC application， such as graphical data display and text export. Moreover， the graph shown on the PC application complies with that displayed on other software. The data acquisition system has simple and reliable circuit and is suitable for the data acquisition of sensors that are capable of generating quadrature encoder pulses.
Keywords： TMS320F2812； data acquisition； quadrature encoder pulse； PC application
0 引 言
在高準确高速的运动系统中，如果采用光栅位移传感器来对系统中的运动物体进行位置检测，高准确度与高速度都使得光栅位移传感器的脉冲频率提高。在控制系统中，端子板通过对编码器反馈信号等进行光耦隔离，防止烧坏控制主板及I/O口，起到保护主板的作用。这样，由于光耦隔离的存在，光栅位移传感器产生的脉冲的频率不能大于端子板光耦所允许的最大频率。所以，为了分析高精高速系统中运动物体的定位情况，就要使光栅位移传感器产生的脉冲不经过端子板而被其他采集系统采集。
很多学者都采用过DSP芯片（如TMS320F2812，
TMS320C5402）进行数据采集，但是他们都是结合各种AD转换器进行模拟量的采集[1-4]。除此，在完成数据采集后，一些学者用TMS320F2812进行FFT变换等[5-7]。简明远等[8]设计的数据采集系统由AD采样电路、FPGA电路和DSP电路组成。另外，还有学者利用TMS320F2812内置的AD转换器进行数据采集[9-10]。
本文针对正交编码脉冲设计了数据采集系统，它运用TMS320F2812的正交编码脉冲电路（QEP）[11]对光栅位移传感器信号进行处理，电路简单可靠。而且，采用VC++语言设计了上位机应用程序实现数据的图形显示和文本导出等基本功能。
1 数据采集结构
宏微平台控制结构如图1所示，宏动平台被运动控制卡PMAC的第1轴（1#）控制，微动平台被第2轴（2#）控制。宏动平台以旋转电机作为动力源，通过丝杆将旋转运动转化为直线运动，并相对于标尺光栅运动；微动平台以压电陶瓷作为动力源，相对于宏动平台作直线运动。这样，宏动平台与微动平台在PMAC的控制下可以在一个方向上做往返直线运动。
宏微平台通过宏动平台完成长距离的运动，在整个运动过程中，微动平台通过光栅位移传感器的反馈随时对宏动平台进行补偿。因此，在宏动平台与微运平台的共同作用下，宏微平台能够快速并精确地定位。
在这个控制系统中，光栅位移传感器发出的脉冲首先通过端子板，然后到达PMAC卡。所以，当宏动平台相对于标尺光栅高速运动时，由于端子板的光耦隔离的影响，PMAC卡不能实现对光栅位移传感器信号的完全补获。因此，为了分析宏动平台在高速运动时的定位情况，设计基于TMS320F2812的数据采集系统，如图2所示。TMS320F2812的最大振荡频率可以达到150 MHz，即允许光栅位移传感器产生的脉冲的最大频率为37.5 MHz，远远大于光耦所允许的最大频率。
在图2中，脉冲1与脉冲2组成正交编码脉冲，即两个频率可变，有固定1/4周期相位差（即90°）脉冲序列。所以，可以通过两路脉冲的先后次序确定电机的转动方向，根据脉冲的个数与频率，分别确定电机的角位置和角速度。
另外，在对高速高精运动系统中的运动物体进行位置采集时，如果采集频率过大，就会导致采集样本总量增加，从而使TMS320F2812不能完全存储所有数据。如果采集频率过低，又会使得采集的数据不能全面地反映运动物体的位置情况。由于只需要获得运动物体在目标位置点附近的运动情况，所以，只通过TMS320F2812对运动物体到达目标位置前进行编码输入脉冲上下沿的计数，而不进行数据采集。一旦运动物体到达目标位置，TMS320F2812就启动数据采集，这样，就可以设置合适的采样频率来得到运动物体全面的定位情况。 2 TMS320F2812的事件管理模块
TMS320F2812的事件管理模块（EVA和EVB）包括通用定时器、正交编码脉冲电路（QEP）。运用这两个模块能实现正交编码脉冲的采集。
通用定时器具有4种计数操作，在定向递增/递减计数模式下，通用定时器2（或4）可以与QEP电路结合使用，此时QEP电路为定时器提供时钟和方向输入。但不能通过通用定时器的预定标电路设置预定标参数，即当采用QEP电路提供输入时，预定标参数总是1。而且，由于通用定时器在QEP电路的上升沿和下降沿都进行计数，QEP电路产生的时钟频率是每个QEP输入的通道频率的4倍，因此，QEP输入频率必须小于等于内部CPU时钟的1/4。
TMS320F2812事件管理模块中的QEP电路的方向检测逻辑确定哪个脉冲相序列超前，然后产生一个方向信号作为通用定时器2（或4）的方向输入。如果CAP1/QEP1（对于EVB是CAP4/QEP3）引脚的脉冲输入是相位超前脉冲序列，那么定时器就进行增计数；相反，如果CAP2/QEP2（对于EVB是CAP5/QEP4）引脚的脉冲输入是相位超前脉冲序列，那么定时器就进行减计数。
通用定时器2（或4）总是从它的当前计数值开始计数，并根据CAP1/QEP1（对于EVB是CAP4/QEP3）引脚和CAP2/QEP2（对于EVB是CAP5/QEP4）引脚的脉冲输入情况进行增计数或减计数。增计数情况下，在通用定时器的计数器增计数到周期寄存器值时，定时器的计数器清0，继续重新增计数到周期寄存器的值。减计数情况下，在通用定时器计数减计数到0时，定时器重新装载周期寄存器的值，并继续减计数。当通用定时器计数器与周期寄存器匹配一个时钟周期后，周期中断标志位置位。如果周期中断未被屏蔽，将产生一个周期中断请求。
3 TMS320F2812程序设计
3.1 程序总体设计
在图1所示的控制系统中，PMAC卡给宏动平台发送命令使其到达目标位置，但是，当宏动平台快速到达目标位置后会产生定位偏差。如果光栅尺的分辨率为0.05 μm，由于16位通用定时器的最大计数值为65 536，最大偏差可以达到3 276.8 μm。
分析宏动平台在高速运动时的定位情况，只需当宏动平台到达目标位置时才启动数据采集。这样，在存储空间有限的情况下能够提高有用数据的采集量，并能够在较宽的采集频率范围中选择所需要的采集频。
TMS320F2812的程序流程图如图3所示。为了确定宏动平台是否到达目标位置，采用了通用定时器2进行正交编码脉冲上下沿计数的计数，使事件管理模块的QEP电路作为该通用定时器的时钟源，并采用通用定时器2的周期中断进行周期中断的计数。当通用定时器2的周期中断次数满足要求后，禁止通用定时器2的中断并启动通用定时器1进行数据采集，即在通用定时器1的周期中断函数中将通用定时器2的计数值存到内存中。
为了排除图1所示的控制系统在其他干扰的情况下错误地触发周期中断，因此用于通用定时器2的初值不能设置在0或者周期寄存器值附近。
在完成数据采集后就可以通过外部中断或条件执行程序，采用串行通信接口（SCI）实现TMS320F2812到上位机的发送。在数据发送程序中，通过查询发送缓冲寄存器准备好标志位把数据从TMS320F2812发送到上位机。当该位置位时，表示发送缓冲寄存器已准备好接收下一个字符，此时，向发送缓冲寄存器写入要发送的数据就能实现数据发送。而且，写数据到发送缓冲寄存器操作将自动清除发送缓冲寄存器准备好标志位。所以，每次发送下一个字符时，都需等待发送缓冲寄存器准备好标志位重新置位。
3.2 寄存器配置
设置好通用定时器2的计数器初值和周期寄存器能够确定宏动平台是否到达目标位置，设置好用于通用定时器1的计数器初值和周期寄存器能够确定数据采集的频率。
为了实现通用定时器的周期中断，在主程序中需要设置外围中断扩展PIE的相关寄存器，如PIE中断使能寄存器、CPU中断使能寄存器等。在通用定时器的中断程序中将周期中断标志位清零，将PIE中断应答寄存器的相应位清零。
另外，需要在主程序中设置好串行通信接口的相关寄存器。其中，SCI通信控制寄存器（SCICCR）可以设置SCI的数据格式，SCI控制寄存器1（SCICTL1）可以设置SCI发送器与接收器的使能位，SCI波特率选择寄存器（SCIHBAUD、SCILBAUD）可以设置波特率。
4 上位机应用程序设计
通过TMS320F2812采集來的数据只是以通用定时器的计数值保存在存储空间中，所以，为了实现实际位置值与相应的采样时间并存的存储方式，并且实现采样曲线的绘制和数据的文本导出，设计了基于VC++的应用程序界面。另外，为了实现TMS320F2812与上位机的串口通信，在上位机应用程序中还需要对上位机的串口进行设置。
数据采集应用程序界面中菜单项“文本文档”的子菜单项“读文本作图”能够读取文本数据作图，子菜单项“输出文本”能将数据以文本的形式存储起来。另外，菜单项“作图”能对上位机应用程序保存的数据进行作图。通过“串口设置”对话框，可以根据TMS320F2812的串行通信数据格式设置好上位机的串行通信数据格式。
通过“其他设置”对话框，可以根据采样频率以及光栅尺的分辨率设置采样中的时间比例与位置比例，从而得到所需要的数据。而且，通过修改逻辑_视口比例中的参数使数据图形能够在应用程序中得到较好的显示。
5 实验验证
在图1所示的控制系统中，使宏动平台以很快的速度进行运动，并用该数据采集系统在宏动平台到达目标位置后进行数据采集。完成数据采集后，在上位机软件上显示的曲线如图4（a）所示；当上位机软件中实现文本输出后，在办公软件Excel中得到的曲线如图4（b）所示。 由图可得，上位机软件能成功实现数据的文本导出，从而可以在其他数据处理软件中进行数据处理。另外，上位机软件能成功实现数据的图形显示，并且与其他软件上显示的图形是一致的。
6 结束语
本文介绍了一种基于TMS320F2812的数据采集系统，电路简单可靠，并能通过上位机软件实现图形显示与数据文本输出等基本功能。该数据采集系统针对正交编码脉冲信号而设计，所以，能够产生正交编码信号的传感器都可以作为该采集系统的信号源。
参考文献
[1] 那云虓，刘桂礼，刘刚. 基于AD73360和TMS320F2812的数据采集系统设计[J]. 测控技术与仪器仪表，2008（10）：92-96.
[2] 马俊，陈学煌. 基于DSP的多路数据采集系统设计[J]. 测控技术与仪器仪表，2007（12）：79-81.
[3] 蒲琪，杨保亮，代祥俊. 基于TMS320F2812的电子万能材料试验机测控系统[J]. 仪表技术与传感器，2007（10）：53-55.
[4] 张龙，周端，司栋森，等. 基于TMS320F2812高速数据采集系统的设计与实现[J]. 电光与控制，2007，14（1）：129-132.
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[6] 潘伟，王汉功，张霞. 基于TMS320F2812 DSP的智能CAN节点设计[J]. 自动化仪表，2005，26（10）：36-37.
[7] 姚冉中，潘宏侠. 基于TMS320F2812的设备状态监测与分析仪的实现[J]. 仪表技术与传感器，2007（2）：8-10.
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[10] 孙元敏，尹立新，杨书涛. 基于TMS320F2812的高速数据采集处理系统[J]. 计算机工程，2009，35（2）：242-244.
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（编辑：刘杨）