第三章 弦波編碼器解碼實現
3.1 DSP-Based 線性化法解碼實驗
3.1.1 硬體介紹
弦波編碼器
本論文所用的弦波編碼器是由 HPB 公司所生產的弦波編碼器，可以提供 2048 PPR 的正弦/餘弦信號，同時也提供 1 PPR 的正弦/餘弦信號作為絕對位置的判斷，除此之外 傳統編碼器所提供的 Z 相信號也以弦波的方式輸出。實體如下圖
圖 3-1 弦波編碼器實體圖
編碼器需要供給 5V 電源，信號輸出的方式是以差動輸出以減少雜訊影響，所有的 弦波電壓範圍都是在 2~3V 之間，並且額外提供 2.5V 直流電壓以供判斷使用，下是弦波 編碼器各信號線功能說明
表 3-1 弦波編碼器各線功能表 線色 功能 輸入/出電壓
藍
A + 2 . 5 + sin ( 2048 × θ )
藍黑
A − 2 . 5 − sin ( 2048 ×
θ)
綠
B + 2 . 5 + cos ( 2048 ×
θ)
綠黑
B − 2 . 5 − cos ( 2048 ×
θ)
黃
Z +
Z index 黃黑Z −
Z index 褐A
′+ 2 . 5 + sin ( )
θ 褐黑A
′− 2 . 5 − sin ( )
θ 白B
′+ 2 . 5 + cos ( )
θ 白黑B
′− 2 . 5 − cos ( )
θ灰 Med 2.5
灰黑 Gnd 0
紅
V cc
5黑 Gnd 0
DSP 解碼核心
近年來由於超大型積體電路(VLSI)的技術迅速發展，使得 DSP 數位訊號微控器的運 算速度及周邊處理功能有大幅的提升，取代了傳統的微處理器(microprocessor)，在許多 應用領域如行動通訊、資訊家電與馬達驅動等都被廣泛的使用。因此本研究採用由德州 儀器(Texas Instrument，TI)公司研發的 TMS320F2812 這顆 DSP 作為控制核心。
利用 DSP 強大的數學運算能力，可以最少的硬體周邊電路實現馬達控制所需要的 功能。而在德州儀器公司所生產的 DSP 中，’C2000 系列的硬體發展卡是專為馬達控制 而設計的，其中本論文所使用的是此系列中的 F2812 晶片控制器，其擁有 150 MHz (6.67 ns cycle time)的高速運算處理能力，比 TI 早期出產的 DSP ‘C240 快 7 倍，比傳統 8051 單晶片快約 150 倍。為了提升運算效能，核心部份的算數邏輯單元(ALU)、累積器(ACC) 均採用 32 位元定點運算，並以硬體方式實現乘法器、位移器等，如此僅需一個指令週 期(instruction cycle)即可完成乘加運算。在整數計算方面，為減少數值計算所衍生的問 題如溢位(overflow)等，採用硬體式的位移器來提高軟體執行的精確度。
F2812 主要擁有的記憶體有 28K × 16 Flash EEPROM、兩組 4K × 16 Single-Access RAM (SARAM)與一組 8K × 16 SARAM，並採用哈佛匯流排(Harvard bus)架構。舊型的 DSP 大部分是採用分離式的程式記憶體、資料記憶體與 I/O 記憶體，而新型的 DSP 如 F2812 則是使用包含上述三種記憶體的單獨記憶體空間，使用起來更為有彈性，也可以 減少不同記憶體之間搬動資料的指令集。
Spectrum Digital 公司利用 F2812 晶片結合自行開發的周邊模組，發展出 eZdspTM F2812 初學板(DSP Started Kit，DSK)，其週邊包含 16 個通道的 12 位元類比數位轉換器 (ADC)，串列傳輸支援四種常用的型式：SPI (serial peripheral interface)、SCI (serial communications interface)、eCAN (enhanced controller area network)與 McBSP
(multi-channel buffered serial port)，另外最高可支援 56 個 GPIO (general-purpose I/O)。為 TMS320F2812 功能方塊圖。
圖 3-2 TMS320F2812 功能方塊圖
由於弦波編碼器的解碼中類比數位轉換器占有相當重要的地位，所以特別加以說明 內建之 12 位元的類比數位轉換器的各項功能如下：
z 內建兩組取樣及維持(Sample-and-hold)模組的 12 位元 ADC z 兩組取樣及維持模組共有 16 的輸入通道
z 取樣及維持模組可分為同步取樣模式或是依序取樣模式 z 類比輸入範圍 0~3V
z 快速的轉換能力，最大取樣率為 12.5 Msps
z 自動取樣轉換功能，可在一次中斷中執行 16 次的 ADC 轉換，每次的轉換可任 意指定 16 個通道中的任一個
z 16 個轉換結果暫存器，最高可儲存 16 次的轉換結果 z 擁有四種不同的方法啟動 ADC 轉換
z 可設定連續轉換模式
介面電路
圖 3-4 DSP-Based 弦波編碼器解碼硬體圖
上圖 3-4 是由 eZdsp 實驗發展版與介面電路所組合而成的 DSP-Based 弦波編碼器解 碼硬體圖，上層是介面電路板，除了電位的提升功能之外，還包含下節所使用到的 ADC 校準電路及伺服馬達控制所需的其他功能，在此便不多做說明，而下層則是 eZdsp 實驗 發展版。為了將雜訊影響降到最低，兩者採上下兩層重疊方式組合而成，減少線路連接 所造成的雜訊干擾。