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QOUT 模块

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QOUT 模块，全称 Quadrature Pulse Ouput Module，根据分频比，对编码器的位置信号进行分频输出正交位置信号，输出信号用于反馈至 PLC 或其他控制设备，进而完成对伺服电机的闭环控制。

结构框图



上图所示为 QOUT0 结构框图，主要由脉冲检测模块 (Pulse Detect Module) 、脉冲分频模块 (Pulse Divide Module) 、正交脉冲输出模块 (Quadrature Pulse Output Module) 和控制/状态/寄存器模块 (CSR Module) 组成。

另外，SYS_CLK 为 QOUT 的工作时钟，典型频率为 200 MHz。

脉冲检测模块

通过寄存器字段 QOUT_POS_SRC_SEL 选择位置数据的来源，硬件会根据 BLOCK 定时器的设置自动读取一次位置数据，通过与上次读取的位置数据做差，得出脉冲数量与方向的信息，结果保存在 QOUT_IN_PUL_DET 寄存器。

BLOCK 定时器的周期计算为 16384 * Tcntclk，若设置计数时钟为 200 MHz，此时对应的定时器周期为 81.92 us，这里的一个间隔周期我们称为一个 Block。

另外，通过寄存器字段 QOUT_TMR_FRE_DIV，可以调整定时器的频率，从而调整 BLOCK 定时器的周期，即调整 Block 的时间长度。

需注意，一个 Block 最大支持 1024 个脉冲的检测，若输入大于 1024 个脉冲，则按照 1024 个脉冲输入进行后续的算法计算，并且产生输入脉冲溢出状态，该状态可以作为中断源。

脉冲分频模块

脉冲检测模块后所得的输入脉冲数，会经过脉冲分频模块，进行脉冲数的转换，即根据分频比 N/M 进行输出脉冲数的转换。N/M 的设置通过寄存器 QOUT_N_M_DIV 配置，由于模块内部采用定点数的计算，所以这里需写入对应的无符号 Q20 定点数（无符号的 20-bit 小数位）。

假设 N/M = 3/11，那么设置的数值为 220 × 3 ÷ 11 = 285975.2727 ≈ 285976（小数部分直接进 1，采用 Round-up）。

脉冲输出均匀功能

通过寄存器 PUL_HOMO_EN = 0x1 使能脉冲输出均匀功能，此功能可以将一个 Block 的脉冲均匀话的输出，避免出现输出脉冲频率突变的情况。

正交脉冲输出模块

A/B 信号生成

正交信号在正转的时候，A 信号会超前 B 信号 90 度，下图给出正转时的正交输出信号：



根据上图这里有如下的定义：

  • Phase1：A = 1，B = 0

  • Phase2：A = 1，B = 1

  • Phase3：A = 0，B = 1

  • Phase4：A = 0，B = 0

故在正转的时候，相位的变化为 Phase1 → Phase2 → Phase3 → Phase4。

而在反转的时候，B 信号会超前 A 信号 90 度，下图给出反转时的正交输出信号。相位的变化则为 Phase4 → Phase3 → Phase2 → Phase1。



因此利用脉冲分频模块输出的脉冲信号，按照正转和反转的相位变化，就可以生成 QOUT_A 和 QOUT_B 的正交信号。另外当关闭 ABZ 输出模块，即 QOUT_EN = 0，A、B 信号均复位到低电平。

Z 信号生成

Z 信号的生成，主要是通过正交脉冲计数器计数，在正转的时候，输出第一个脉冲，在翻转的时候输出最后一个脉冲即可。
注： 此处脉冲数是指一个完整的正交信号的脉冲（包括 phase1~4 的状态）。具体可以参考下面的 ABZ 的输出例子。

下图正转的例子，假设是 2 线正交编码器，也就是转 1 圈出 2 个脉冲。



下图先正转后反转的例子，同样是 2 线正交编码器。



Z 信号扩展功能

Z 信号扩展功能，是针对 Z 信号进行处理的功能，得到信号 Z_EXT，具体处理的流程如上图。在使能了 Z 信号扩展功能后，QOUT 的输出 QO_Z 则选择了 Z_EXT 的通路进行输出。

Z_EXT 通过寄存器配置可以选择是对 Z 信号的上升沿信号进行处理还是下降沿信号进行处理，下面举例说明：
  • 若使能对 Z 信号的上升沿进行处理，Z_EXT 在对应的在 QOUT_Z 的上升沿时刻产生上升沿，并且维持 t_zext 的时间后拉低，此时间可以通过寄存器控制。
  • 若使能对 Z 信号的下降沿进行处理，Z_EXT 在对应的在 QOUT_Z 的下降沿时刻产生上升沿，并且维持 t_zext 的时间后拉低，此时间可以通过寄存器控制。

软件模式

QOUT 模块可以通过寄存器配置成软件模式，利用定时器的中断信号，软件介入进行用户的算法，计算需要输出脉冲周期 QOUT_PULSE_PRD、脉冲数量 QOUT_PULSE_NUM 以及脉冲方向 QOUT_PULSE_DIR 的数值，分别写入对应的寄存器。在更新信号来到的时候，则自动更新新的寄存器数值，产生对应的正交脉冲信号。

误差消除功能

QOUT 模块为了实现均匀输出脉冲信号，需要使能误差消除功能。具体的误差消除功能的说明如下：

假设当前 N/M = 3/11，那么 N/M 的定点化(20 bits 无符号小数)转化为：1048576 * 3/11 = 285975.272727 ≈ 285976 (N/M 的取值需要往大取整，向上舍入)

以上的计算的约数，带来了+0.727273 的误差。

由于 N/M 的定点数用于计算输出脉冲数，PG = Pin * N/M，所以每输入一个脉冲，则产生+0.7272723 的误差。

为了对此误差的消除，初始化可进行以下的配置：

  • 通过寄存器使能误差消除功能，QOUT_ERR_CANCL_EN =0x1；

  • 设置误差消除的阈值寄存器 QOUT_ERR_CANCL_TH = 1100，这里的取值方法，需取 N/M 的分母数的整数倍，由于 M=11，所以这里选取为误差消除阈值为 1100；

  • 设置误差消除值寄存器 QOUT_ERR_CANCL_V = 800 ，这里的选值根据误差消除阈值进行设定，由于误差消除阈值为 1100，而误差为+0.727273，所以 QOUT_ERR_CANCL_V = 1100 * （+0.727273） = 800。

通过以上的配置，在 QOUT 使能后，每当检测到输入达到 1100 个脉冲，则自动对下一次的小数脉冲的累加和进行减 800 的操作，达到消除累计误差的效果，具体效果如下图所示。



中断状态

OUT 模块支持以下两个中断信号类型：

  • QOUT 的内部定时中断，即每完成一个 Block 的脉冲采集产生的中断信号，此中断用于软件模式

  • QOUT 输入检测溢出状态信号，即 QOUT 输入检测脉冲数量>1024