CN100458863C - 一种测量技术中的信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量技术中的信号处理系统，包括包含运动控制单元和机械运动单元的运动承载部件，设置在机械运动单元上的传感器和测头以及测量数据处理单元，其特征在于：传感器的测量信号输入一直接获取单元，由直接获取单元运算后输入运动控制单元和一精确采集单元；精确采集单元接收测头发出的触发信号，并在触发信号同步下将传感器的输出信号进行细分，精确采集单元将输入的各项数据运算后得到的数据信息输出给测量数据处理单元计算，以得出测量数据。

Description

一种测量技术中的信号处理系统

技术领域

本发明涉及运动控制和信号处理的系统，特别是指一种采用编码器的信号进行测量时将信号细分后以提高测量分辨率(最小测量步长)提高精度的测量技术中的信号处理系统。

背景技术

日益增长的制造业对自动化精密测量和逆向工程的要求越来越高，对自动化精密测量装置提出了测量既准又快的要求。测量装置中的多自由度测量系统大都采用编码器进行运动控制和位置测量，其中运动控制和位置测量的实时性和分辨率要求是不同的。运动控制是采用编码器得到的位置信息实时反馈给控制单元以控制运动过程，所以对数据处理的速度要求很高，但是对于路径要求不是十分严格，到达测量点后允许运动过冲，所以对于运动反馈信号的精度要求不高。

而位置测量不是连续的，它是根据测量信号来进行的。对数据处理的实时性要求不高，但要求数据的分辨率，即对信号的精度要求高。

现有的多自由度测量系统技术中没有将信号的这两种用途加以区分对待，为了提高仪器的分辨率而使用分辨率更高的编码器或者细分电路。使用高精度的编码器将增加系统的成本，同时由于高精度的编码器要求速度不能太快，所以系统的运动速度就受到限制。因此现有的多自由度测量系统存在一个分辨率和速度、成本的矛盾。使用细分电路可以提高仪器的分辨率，但存在数据处理需要实时完成以进行运动控制的矛盾，导致信号处理难度高，电路成本高。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种测量技术中的信号处理系统，其根据运动控制和位置测量中对信号的实时性和分辨率要求不同为出发点，将信号处理分开进行，分别满足运动控制的实时性要求和位置测量的分辨率要求。

为达到上述目的，本发明所提供的一种测量技术中的信号处理系统，包括包含运动控制单元和机械运动单元的运动承载部件，设置在所述机械运动单元上的传感器和测头以及测量数据处理单元，其特征在于：所述传感器的测量信号输入一直接获取单元，由所述直接获取单元运算后输入所述运动控制单元和一精确采集单元；所述精确采集单元接收所述测头发出的触发信号，并在所述触发信号同步下将所述传感器的输出信号进行细分，所述精确采集单元将输入的各项数据运算后得到的数据信息输出给所述测量数据处理单元计算，以得出测量数据。

上述本发明的技术方案中，所述直接获取单元包括波形转换电路、32位可逆计数器、辨向电路以及数据计算和处理单元；所述波形转换电路将正弦波信号转化成方波信号；所述辨向电路根据所述传感器两路输出信号的相位差，得到所述传感器的运行方向；所述32位可逆计数器用于记录信号方波的个数，其数据累计方向由所述辨向电路控制；所述数据计算和处理单元完成32位可逆计数器的读取、数据计算和数据的传输。

所述辨向电路、32位可逆计数器是在可编程逻辑阵列中实现的，所述数据计算和处理单元是由所述可编程逻辑阵列和中央处理器一起完成的。

所述精确采集单元包括信号放大电路、信号锁存电路、数模转换电路和后处理数据单元；所述信号放大电路用于将传感器的信号进行放大，提高信号处理的分辨率；所述信号锁存电路用于将信号进行锁存，确保在模数转换过程中信号不发生变化；所述数模转换电路将模拟信号转换成数字信号；所述后处理数据单元控制测量过程和对数据进行计算得到测量数据。

所述后处理数据单元是由所述可编程逻辑阵列和中央处理器一起完成的。

所述数模转换电路采用12位高精度芯片，可同时完成信号锁存功能。

所述传感器使用周期性输出模拟信号的传感器。

所述测头采用接触式测头或者非接触式三维测量仪中的一种。

采用上述技术方案，本发明具有以下优点：1、本发明由于将运动控制和位置测量信号分别进行运算处理，可分别满足测量系统对速度与精度的要求。2、本发明由于将运动控制和位置测量信号分别进行运算处理，满足运动控制的实时性要求和位置测量的分辨率要求。3、本发明解决了现有的多自由度测量系统存在一个分辨率和速度、成本的矛盾，并可降低电路成本。

附图说明

图1是本发明的系统组成图；

图2是本发明系统的信号走向和电路框图；

图3是本发明FPGA的硬件功能框图；

图4是本发明CPU系统的软件框图。

具体实施方式

现举以下实施例并结合附图对本发明的结构及功效进行详细说明。

如图1所示，本发明包括包含运动控制单元和机械运动单元的运动承载部件，传感器、测头、直接获取单元、精确采集单元及测量数据处理单元，其中：

包含运动控制单元和机械运动单元的运动承载部件即为现有的测量系统，如测量机器人。机械运动单元即为测量机器人的机械臂。传感器固设在机械运动单元上，如机械臂的各个关节，用于记录机械部件的位置变化，即机械臂的各关节在空间中的位置。传感器可以使用周期性的模拟信号输出的传感器，如模拟信号输出的旋转编码器或者直线编码器。

测头固设在机械运动单元的末端，如机械臂的末端。测量时可以作为触发信号源向精密采集单元发出触发信号。通过叠加传感器的数据，即可得到机械臂末端的空间位置。测头可以采用接触式测头或者非接触式的三维测量仪，如三维扫描头，接触测头，直线位移传感器(LVDT)或者定周期的数据采集信号。

直接获取单元处理直接从传感器输出信号中得到的信息，即由传感器的输出信号直接得到位置信息，其分辨率由传感器的分辨率决定。传感器的输出信号经过直接获取单元的波形转换电路后，进行辨向和计数，具有实时性好的特点。直接获取单元输出的信息一方面输出给运动控制单元进行运动控制，另一方面输出给精密采集单元用于计算测量数据。

精确采集单元是基于测头的触发信号进行的精确数据采集，通过硬件保证了测量时刻的同步性。精确采集单元在触发信号同步下将传感器的输出信号进行细分得到高分辨率信息。只要控制触发信号的频率，就可以保证数据处理的时间，保证高分辨率数据的获取。数据分辨率远远高于传感器的分辨率。通过精确采集单元运算后得到的数据信息输出给测量数据处理单元计算，以得出测量数据。

运动控制单元采用直接获取单元输出的信息控制运动承载部件运动。最终得到的测量结果是将直接获取单元和精确采集单元的信息结合起来得到的测量结果。这样就摆脱了运动速度和分辨率的制约关系。

测量数据处理单元采用现有的电路即可，在此不再详述。

下面详细说明直接获取单元和精确采集单元的组成。

如图2所示，直接获取单元包括波形转换电路、32位可逆计数器、辨向电路以及数据计算和处理单元。

波形转换电路将正弦波信号转化成方波信号，通过方波的个数来获取编码器的位置变化。波形转换电路可以通过电压比较器或运放器搭建。本实例是采用通用电压比较器LM339集成电路实现的。

辨向电路是根据编码器两路输出信号的相位差，得到编码器现在的运行方向。该部分电路是在现场可编程逻辑阵列(Filde programmable Gate Array缩写为FPGA，以下简称FPGA)中实现的。

32位可逆计数器用于记录信号方波的个数，其数据累计方向由辨向电路控制。该部分电路也是在FPGA中实现的。

数据计算和处理单元完成32位可逆计数器的读取、数据计算和数据的传输。该单元的功能是由FPGA和中央处理器(central processing unit，以下简称CPU)一起完成的。

精确采集单元包括信号放大电路、信号锁存电路、数模转换电路和后处理数据单元，由测头发出的触发信号输入后处理数据单元中。

信号放大电路用于将传感器的信号进行放大，提高信号处理的分辨率。

信号锁存电路用于将信号进行锁存，确保在模数转换过程中信号不发生变化。

数模转换电路将模拟信号转换成数字信号。本实例中采用的是12位高精度芯片AD7864，同时完成信号锁存功能。

触发信号由触发信号源测头发出，触发信号将启动一次测量过程。触发信号的读取和采样保持信号的输出是采用FPGA硬件电路进行，可以最小限度的减少测量时刻和采集时刻的时差。

后处理数据单元控制测量过程和对数据进行计算得到测量数据。后处理数据单元得到触发信号后发出采样保持信号，开始信号锁存和A/D转换，计算得到精确的测量信息，获得直接获取单元的测量结果，得到最终的测量数据，进行数据存储，和上位机通讯等工作。该单元的功能是由FPGA和CPU一起完成的。

如图3所示，FPGA完成直接获取单元中数据计算和处理单元的部分工作，还完成精确采集单元中后处理数据单元的部分工作。FPGA的使用可以灵活的修改系统的逻辑和时序，增加了系统的升级空间，为系统的二次开发和升级打下基础。FPGA可以选择Cyclone系列，CycloneII系列，Stratix系列等。

锁存信号控制单元读取触发信号，并发出采样保持信号。

AD数据读取部分完成从精确控制单元的数模转换电路读取数据，发出控制信号控制AD芯片的数据总线并从数据总线上读取数据。

先入先出随机存储器(First-In First-Out random access memory，以下简称FIFO数据存储器)用于保存AD数据，并在接口电路读取的时候输出数据。

接口单元用于与CPU之间的协议转换，受CPU控制总线信号的控制，解码地址总线的地址信息，将要发送的数据放在数据总线上。

4细分电路将传感器的AB两路方波信号转化成一路方波信号，并将信号分辨率提高4倍。

CPU主要完成数据计算、数据通讯。本实例中选用了ARM7系列的微控制器，如Philip公司的LPC2214。

本发明的工作过程如图4所示，上电后CPU程序启动作为开始；程序进行系统初始化配置S0；FPGA中断信号通知CPU读取测量数据S1，；CPU控制读取FPGA中的FIFO数据存储器S2；CPU将数据计算得到最后的测量值S3；将测量结果进行存储S4；实时显示数据到显示数据到LED或者液晶屏S5；返回S1等待FPGA中断信号；计算机请求读取测量数据S6，将数据发送给计算机S7。

本发明电路中所采用的CPU及各种电子器件不仅限于以上公开的型号，也可以采用本领域任何公知的可以实现相同功能的其它型号的CPU及电子器件。

本发明可以用于运动测量中的主动控制运动测量和被动牵引测量两种工作模式，如一维运动控制或者其他运动系统，如三坐标测量机(CMM)和测量机器人系统和机床中。由于摆脱了对运动速度的要求，因此也适用于不要求时时反馈控制的被动测量。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，但是本发明不局限于上述特定实施例，在不背离本发明精神及其实质情况下，熟悉本领域技术人员可根据本发明的说明书、权利要求书及附图作出各种相应改变和变形，但这些相应改变和变形都应属于本发明所附权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种测量技术中的信号处理系统，包括包含运动控制单元和机械运动单元的运动承载部件，设置在所述机械运动单元上的传感器和测头以及测量数据处理单元，其特征在于：

所述传感器的测量信号输入一直接获取单元，由所述直接获取单元运算后输入所述运动控制单元和一精确采集单元；所述精确采集单元接收所述测头发出的触发信号，并在所述触发信号同步下将所述传感器的输出信号进行细分，所述精确采集单元将输入的各项数据运算后得到的数据信息输出给所述测量数据处理单元计算，以得出测量数据。

2、如权利要求1所述一种测量技术中的信号处理系统，其特征在于：所述直接获取单元包括波形转换电路、32位可逆计数器、辨向电路以及数据计算和处理单元；

所述波形转换电路将正弦波信号转化成方波信号；

所述辨向电路根据所述传感器两路输出信号的相位差，得到所述传感器的运行方向；

所述32位可逆计数器用于记录信号方波的个数，其数据累计方向由所述辨向电路控制；

所述数据计算和处理单元完成从32位可逆计数器读取数据、进行数据计算和数据的传输。

3、如权利要求2所述一种测量技术中的信号处理系统，其特征在于：所述辨向电路、32位可逆计数器是在可编程逻辑阵列中实现的，所述数据计算和处理单元是由所述可编程逻辑阵列和中央处理器一起完成的。

4、如权利要求1所述一种测量技术中的信号处理系统，其特征在于：所述精确采集单元包括信号放大电路、信号锁存电路、数模转换电路和后处理数据单元；

所述信号放大电路用于将传感器的信号进行放大，提高信号处理的分辨率；

所述信号锁存电路用于将信号进行锁存，确保在模数转换过程中信号不发生变化；

所述数模转换电路将模拟信号转换成数字信号；

所述后处理数据单元控制测量过程和对数据进行计算得到测量数据。

5、如权利要求4所述一种测量技术中的信号处理系统，其特征在于：所述后处理数据单元是由可编程逻辑阵列和中央处理器一起完成的。

6、如权利要求4所述一种测量技术中的信号处理系统，其特征在于：所述数模转换电路采用12位高精度芯片，可同时完成信号锁存功能。

7、如权利要求1所述一种测量技术中的信号处理系统，其特征在于：所述传感器使用周期性输出模拟信号的传感器。

8、如权利要求1所述一种测量技术中的信号处理系统，其特征在于：所述测头采用接触式测头。

9、如权利要求1所述一种测量技术中的信号处理系统，其特征在于：所述测头采用非接触式三维测量仪。

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