引言
近年来，要求使用角度测量系统的应用正在不断增加，如精密制造系统和多关节机器人。为了确保精密机器或仪器的高精度，应使用各种位置感知方法精确控制其制动器。对于直线执行器，通常使用激光干涉仪和线性编码器作为位置反馈传感器，角度编码器是各种伺服电机用于精密仪器时的典型角度位置传感器[1,2]。角度编码器可以分为增量式和绝对式，是角度测量系统的主要组成部分。采用角度编码器进行角度测量可以实现高精度、高可靠性的角度测量，编码器的选择对角度测量系统尤为重要。除选用增量式角度编码器外，也可以选用绝对式角度编码器实现角度测量系统的设计。因此，通过选用多摩川高精度绝对式编码器与ST公司的STM32F1系列ARM，采用CPLD与多摩川高精度编码器进行通信后将数据送给ARM进行运算控制的方法，可以实现高精度角度测量的目标。
正文
现有的角度测量大多基于电磁式、电容式角度传感器，这类角度传感器制作而成的角度测量设备，由于传感器本身的精度问题，一般只能达到度的级别，而且自然环境中不可避免的存在磁场和静电场，影响测量设备的精度和稳定性，为了减小这些影响需要进行特殊的屏蔽措施，这样使得产品结构变得复杂，也使得成本相应的提高[2]。相比之下，光电式编码器作为一种角度测量装置，具有体积小、精度高、工作可靠、接口数字化的优点，应用越来越广泛[3]。
光电式编码器可以分为增量编码器与绝对式编码器。增量式编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲个数的测量用传感器。编码器由光栅盘和光电检测装置组成，使用分度圆或分度圆盘，其中整圆除以等间距的线型。通过使用成像或干涉扫描原理来测量相对角位置[3]。当转台电机转动时，光栅盘与电机同速转动，光电检测装置输出若干脉冲,通过计算出编码器输出脉冲的增减个数来确定当前电机转动的角度,当编码器不动或停电时,依靠计数设备的内部记忆来记住位置。但是，在初始化时需要获得启动时的绝对角度位置，在电源复位时，丢失其绝对角度位置值[1]。增量式光电旋转编码器常用于电机定位或测速系统,它具有成本低廉、接口简单等优点。然而随着工业技术的快速发展,这种精度低、无掉电记忆功能的编码器已经无法满足现代的一些工业性能要求,于是,应用推动了具有高精度特性绝对式光电旋转编码器的发展[3,4,7,8]。绝对式光电旋转编码器是直接输出数字量的传感器,因其每个角度位置对应惟一的数字编码而得名，绝对式编码器在旋转一周的过程中,每个机械位置对应于一个唯一绝对编码。如果系统的运动发生在电力中断期间,新的位置在电源恢复以后也能够立即确定，因此它无需掉电记忆，相比于增量式编码器，绝对式编码器的定位性能更加优越，绝对式编码器的抗干扰特性和数据的可靠性都大大高于增量式编码器,所以绝对式编码器在测量系统中的应用更为广泛[5,6]。
虽然绝对式编码器由机械位置决定的每个位置编码绝对唯一、抗干扰性强，便于记忆和保存，可直接读出绝对位置信息无累积误差数据可靠性高，被广泛应用于精密机床和机器人等精度要求较高的场合，但为了减小编码器体积增强抗干扰能力，绝对式编码器一般采用串行方式输出并由相应的通信协议进行控制，因此绝对式编码器输出信号不能直接输入到上位机控制器中处理。目前世界各国的绝对式编码器生产厂家大多为其生产的编码器提供相应解码方案如Heidenhain公司提供编码器EnDat通信协议的IP核、Danher公司提供编码器接口电路的VHDL源代码、多摩川公司提供AU5561和AU5688专用转换芯片等，以实现对各自生产的绝对式编码器串行输出信号的解码转换等处理，便于控制器的读取操作，在一定程度上方便用户的使用[9]。
在渠继峰[3]等人的期刊论文中，角度测量系统设计中使用了增量式编码器对角度位置获得输出脉冲，在控制单元采用DSP与编码器通信进行译码获取数据后进行运算控制 [3,14,17]。因为DSP芯片的运算速度高，处理功能强大，有丰富的片类外围设备便于接口和模块化设计，在传统工业控制技术中，大多采用计算能力较强的DSP作为控制核心，但DSP的市场价格相对较高[14]。与之相比ARM处理器具有外围接口丰富处理速度快的优点，能够在微秒级完成复杂运算，并能在处理空闲时间完成数据通信、显示等其他辅助功[10-15].。在控制单元中，ARM芯片主要完成接收控制指令，信息的存储、显示，控制算法的实现以及协同CPLD的通信，CPLD芯片主要完成与编码器的通讯，通过对编码器发送请求，获得编码器发回的数据并协同ARM进行数据处理的任务[10]。
此外，在丛培田[6]等人的期刊论文中设计了一种基于STM32F103系列芯片和增量式编码器角度测量装置。这种角度测量装置主要由传感器、硬件电路、显示器三部分组成。系统整体设计思路是编码器与被测物件之间同轴安装或者通过传动机构不同轴安装两种方式，首先需要对系统进行标定，测得机械转子旋转一周编码器输出的脉冲数，储存此脉冲数，以免断电数据丢失，然后系统进入测量状态。当机械转子转动时编码器触发脉冲，STM32实时检测脉冲数，通过程序算法即可得到机械转子转动角度，角度值在PC机上实时显示[6]。但是这种角度测量方法使用了增量式编码器，增量式编码器的精度并不太高且输出的是并行信号，欲提高其精度就必然要增大编码器的设计难度和增多并行信号的输出，这样就不利于编码器的长距离通信[11]。因此可以采用绝对式编码器，除了其精度比增量式编码器高几倍以外，其信号的输入输出都采用高速串行通信，节省了通信线路便于长距离的通信。在编码器的另一端，采用CPLD与绝对式编码器进行高速串行通信，CPLD再把收到的编码器信息转变并行数据转送给控制单元的ARM进行运算控制，此时CPLD作为辅助控制芯片[3-10]。在传统控制系统设计中单片机凭借其稳定可靠的性能在长期占有一席之地，但是随着需要检测和控制的信息不断增加，单片机系统的资源承受着越来越大的压力。CPLD具有硬件软件化的独特性能，并且可以承担在复杂工况下的工作，选用CPLD作为协处理器，在角度测量系统设计中承担位置信息读取、电机控制、限位信号检测等工作，可以改进控制算法和硬件结构[13,16,17]。
基于这些研究，角度测量系统设计中可以选用绝对式编码器作为角度传感器，获得角度位置，经过CPLD与编码器通信获得位置信息后转送给ARM进行运算控制。因为多摩川绝对式编码器与增量式编码器对比具有高精度的特点、ARM处理器外围接口丰富处理速度快，可以实现高精度高稳定性的角度测量。
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