CN102788602A - 一种准绝对式光学编码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种准绝对式光学编码器，该光学编码器包含：码盘机构，其设置编码信号；读取机构，其读取码盘机构上的编码信号；解码器系统，其输入端电路连接读取机构的输出端；码盘机构上设有增量码道和索引码道；读取机构包含有光源和读数头；光源发光穿过码盘机构并投射于读数头；读数头上设有分别与增量码道和索引码道对应设置的索引区和若干增量区。本发明设计一种具有两条码道的编码器，一条产生正交的增量信号，另一条产生伪随机编码信号，其为伪随机排列的“黑白”序列，这种序列每连续n位代表一个绝对位置，相邻的n位序列共享（n-1）位序列，使编码器能够达到的物理精度。

Description

一种准绝对式光学编码器

技术领域

本发明涉及一种光学测量设备，具体涉及一种用于测量角度或位移的准绝对式光学编码器。

背景技术

目前使用最为广泛的是增量式编码器和绝对式编码器。

增量式光电编码器输出A、B两相互差90°的脉冲信号和作参考零位的Z标志，可以而实现四倍频的测量精度和固定的零位信号。它的特点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。而其缺点在于：它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。

绝对式编码器的码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线等编排，这样在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从                                               

到

次方的唯一的二进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。它的特点是：不受停电、干扰的影响，能够在上电伊始就判断出当前位置。但是其缺点在于，增加了编码器的物理尺寸和读数头的个数，不适用于小型化的场合。

发明内容

本发明提供一种准绝对式光学编码器，能够检测角度和距离、具有自检测功能、输出可靠、稳定。

为实现上述目的，本发明提供一种准绝对式光学编码器，其特点是，该光学编码器包含：

码盘机构，其设置编码信号；

读取机构，其读取上述码盘机构上的编码信号；

解码器系统，其输入端电路连接上述读取机构的输出端；

上述的码盘机构上设有增量码道和索引码道；

上述的读取机构包含有光源和读数头；该光源发光穿过码盘机构并投射于读数头；该读数头上设有分别与上述增量码道和索引码道对应设置的索引区和若干增量区。

上述的解码器系统包含：

状态分析器，其输入端电路连接读取机构输出端； 

移位寄存器，其若干输入端分别电路连接状态分析器输出端；

若干个存储器，其输入端分别电路连接移位寄存器的若干输出端；

自检比较器，其输入端分别电路连接若干存储器的输出端；

计数器，其输入端电路连接状态分析器输出端；

初始化模块，其输入端电路连接计数器，其输出端电路连接自检比较器，计数器和初始化模块实现系统开机或出现错误的初始化；

状态分析器采集增量码道的增量信号和索引码道的索引信号，输出增量信号至计数器，输出索引信号至移位寄存器；

移位寄存器的若干输入端分别接收索引信号，并分别输出至若干存储器；

若干存储器分别输出索引位置至自检比较器，初始化模块输出参考信号至自检比较器，自检比较器对索引位置和参考信号进行比较并输出状态和结果。

上述的码盘机构中增量码道和索引码道之间具有90°的相位差。

上述的增量码道上刻有若干等间距的增量不透光条纹和增量透光条纹，该增量不透光条纹和增量透光条纹相互间隔设置；

上述的索引码道上刻有若干不等间距的索引不透光条纹和索引透光条纹，该索引不透光条纹和索引透光条纹以伪随机序列规律排列；

上述增量不透光条纹、索引不透光条纹、索引透光条纹中最窄条纹的条纹宽度一致；

上述增量不透光条纹和增量透光条纹的各个交界处对应于各个索引不透光条纹或索引透光条纹的中心点设置。

上述的索引区中设有宽度与索引不透光条纹和索引透光条纹中最窄条纹的宽度一致的透明窗口。

每个上述的增量区中设有指示光栅，每个指示光栅内刻线的间距等于增量不透光条纹或增量透光条纹的宽度；每个指示光栅通过与增量不透光条纹和增量透光条纹产生莫尔条纹，增量区产生增量信号；各增量区产生增量信号之间具有90°的相位差。

本发明一种准绝对式光学编码器和现有技术的光学编码器相比，其优点在于，本发明设计一种具有两条码道的编码器，一条产生正交的增量信号，另一条产生伪随机编码信号，产生正交的增量信号的编码器与普通的增量式编码器原理一样，利用莫尔条纹的原理产生相位差90°的正交信号；产生伪随机编码信号的编码器是伪随机排列的“黑白”序列，这种序列每连续n位代表一个绝对位置，相邻的n位序列共享（n-1）位序列，使编码器能够达到

的物理精度。

附图说明

图1为本发明一种准绝对式光学编码器的总体结构框图；

图2为本发明一种准绝对式光学编码器的码盘机构和读取机构的结构示意图；

图3为本发明一种准绝对式光学编码器的得到的索引信号和增量信号的数字信号时序图；

图4为本发明一种准绝对式光学编码器的状态分析器的原理图；

图5为本发明一种准绝对式光学编码器的自检比较器的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明具体实施例。

如图1所示，本发明公开一种准绝对式光学编码器，该光学编码器包含码盘机构、读取机构7和解码器系统。码盘机构设置编码信号，读取机构7读取码盘机构上的编码信号，解码器系统的输入端电路连接读取机构7的输出端，读取机构7输出编码信号至解码器系统，解码器系统接收并对编码信号进行解码。

如图1并结合图2所示，码盘机构上设有平行设置的增量码道1和索引码道2。该增量码道1和索引码道2之间具有90°的相位差。

增量码道1上刻有若干等间距的增量不透光条纹3和增量透光条纹4，该增量不透光条纹3和增量透光条纹4相互间隔设置。

索引码道2上刻有若干不等间距的索引不透光条纹5和索引透光条纹6，该索引不透光条纹5和索引透光条纹6以伪随机序列规律排列。

增量不透光条纹3、索引不透光条纹5、索引透光条纹6中最窄条纹的条纹宽度一致。并且增量不透光条纹3和增量透光条纹4的各个交界处，例如交界处11、和交界处12对应于各个索引不透光条纹5或索引透光条纹6的中心点设置。

读取机构7包含有光源和读数头。该光源采用LED光源，该光源发光穿过码盘机构并投射于读数头。读数头的端面设有分别与增量码道1和索引码道2对应设置的索引区8和两个增量区，两个增量区分别为增量区A9和增量区B10。读取机构7在读取码盘机构上编码信号时，索引区位置与索引码道2位置相对应，增量区A9和增量区B10的位置与增量码道1位置相对应。

索引区8中设有宽度与索引不透光条纹5和索引透光条纹6中最窄条纹的宽度一致的透明窗口，用于读取索引信号。读取机构7光源发光，光线穿过索引码道2上的索引透光条纹6并通过透明窗口投射到索引区8上，则表示索引信号为“1”。读取机构7光源发光，光线投射到索引码道2的索引不透光条纹5上被阻隔，不通过透明窗口投射到索引区8上，则表示索引信号为“0”。

增量区A9和增量区B10上分别各设有一个指示光栅。每个指示光栅内相邻刻线之间的间距都等于增量不透光条纹3或增量透光条纹4的宽度。读取机构7在读取增量码道1时，在光源投射下，增量区A9和增量区B10上的指示光栅分别与增量不透光条纹3和增量透光条纹4产生莫尔条纹，并投射在增量区A9和增量区B10上，增量区A9和增量区B10分别产生增量信号A和增量信号B；该增量信号A和增量信号B之间具有90°的相位差。

如图1所示，解码器系统包含状态分析器16、移位寄存器18、存储器A19、存储器B20、自检比较器22、计数器17、初始化模块21、状态分析器16、移位寄存器18、输出状态及结果模块23。

状态分析器16输入端电路连接读取机构7输出端。在状态分析器16与读取机构7之间还电路连接有三个比较器，比较器13、比较器14和比较器15。读取机构7的索引区8的输出端电路连接比较器14的一输入端，比较器14的另一输入端接地，比较器14输出端电路连接状态分析器16的输入端。增量区A9的输出端电路连接比较器15的一输入端，比较器15的另一输入端接地，比较器15输出端电路连接状态分析器16的输入端。增量区B10的输出端电路连接比较器16的一输入端，比较器16的另一输入端接地，比较器16输出端电路连接状态分析器16的输入端。如图3所示，由索引区8和增量区A9、增量区B10采集得到的索引信号、增量信号A、增量信号B分别进入三个比较器15、14、13，得到了数字信号：增量信号A26、增量信号B27、索引信号28。该增量信号A26、增量信号B27、索引信号28分别输入状态分析器16。

如图4并结合图3所示，为状态分析器16的工作原理图。状态分析器16中，增量信号A26和增量信号B27组合构成了四种不同的状态，第一状态31、第二状态32、第三状态33、第四状态34，第一状态31代表了“11”、第二状态32代表了“01”、第三状态33 代表了“00”、第四状态34 代表了“10”。正转时，状态的切换顺序是第一状态31→第二状态32→第三状态33→第四状态34→第一状态31，循环。反转时，状态的切换顺序是第一状态31→第四状态34→第三状态33→第二状态32→第一状态31，循环。如果各个状态不进行切换，表示本光学编码器在一个状态区间内运行。如果第一状态31和第三状态33，或者第二状态32和第四状态34之间切换，表示错误产生。在产生四种不同状态的同时，增量信号A26和增量信号B27用来采集索引信号28。正转时，在增量信号B27的上升沿29采集索引信号28，也就是在第四状态34向第一状态31切换的时候采集索引信号28；反转时，在增量信号B27的下降沿30采集索引信号28，也就是在第一状态31向第四状态34切换的时候采集索引信号28。

移位寄存器18设有两个输入端，如图1中所示为左端和右端，该左端和右端分别电路连接状态分析器16输出端，状态分析器16中得到的索引信号28，并根据上述状态的切换规律，分别传输至移位寄存器18的左端和右端。本实施例中，移位寄存器18采用12位移动寄存器，由左右两个6位寄存器组成：即第一寄存器25和第二寄存器24。

该第一寄存器25和第二寄存器24的输出端分别电路连接存储器A19和存储器B20的输入端，第一寄存器25的值输入存储器A19，第二寄存器24的值输入存储器B20。存储器A19和存储器B20分别进行查表操作，完成索引信号28的解码任务，分别得到索引位置A36和索引位置B37。

计数器17输入端电路连接状态分析器16的一个输出端，初始化模块21输入端电路连接计数器17的输出端。初始化模块21的输出端电路连接自检比较器22。

经过状态分析器16后，增量信号A26和增量信号B27输入计数器17，随后进入初始化模块21。计数器17和初始化模块21实现系统开机或出现错误的初始化，在整个光学解码器系统刚开始运行，或者出现错误重启时，都需要初始化一个6位的序列来得到初始角度或位置，利用计数器17和初始化模块21完成系统的初始化进程，初始化模块21并将当前参考信号35输入自检比较器22，参考信号35在自检比较器22中作为一个角度或位置的参考，在系统初始化后，以增量计数的方式运行。

自检比较器22的两个输入端分别电路连接存储器A19和存储器B20的输出端。存储器A19和存储器B20分别将索引位置A36和索引位置B37输入自检比较器22。自检比较器22对索引位置和参考信号进行比较并输出状态和结果。其中自检比较器22输出状态定义有状态“1”和状态“0”，状态“1”表示输出无效，状态“0”表示输出有效。

如图5所示，为本发明准绝对式光学编码器中自检比较器22的自检工作原理，其包含以下步骤：

步骤1、准绝对式光学编码器刚开始运行或出现错误重启时，光学编码器系统进行初始化。

步骤2、自检比较器22判断光学编码器系统是否初始化完成，若是，则跳转到步骤3，若否，则自检比较器22状态为“1”，表示输出无效。

步骤3、自检比较器22分别接收存储器A19和存储器B20输出的索引位置A36和索引位置B3，以及初始化模块21输出的参考信号35。

步骤4、自检比较器22将接收的索引位置A36、索引位置B37分别与参考信号35进行比较，判断索引位置A36、索引位置B37中的一个是否与参考信号35相等。

若是，索引位置A36、索引位置B37中的一个与参考信号35相等，则表示结果正确，跳转到步骤5。

若否，如果二者都不与参考信号35相等，则表明结果不正确，不进入输出状态和结果模块23，需要重新进行初始化，则跳转到步骤1。

步骤5、自检比较器22状态为“0”，表示输出有效，自检比较器22将索引位置A36和索引位置B37输出至输出状态和结果模块23。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种准绝对式光学编码器，其特征在于，该光学编码器包含：

码盘机构，其设置编码信号；

读取机构（7），其读取所述码盘机构上的编码信号；

解码器系统，其输入端电路连接所述读取机构（7）的输出端；

所述的码盘机构上设有增量码道（1）和索引码道（2）；

所述的读取机构（7）包含有光源和读数头；该光源发光穿过码盘机构并投射于读数头；该读数头上设有分别与所述增量码道（1）和索引码道（2）对应设置的索引区和若干增量区。

2.如权利要求1所述的准绝对式光学编码器，其特征在于，所述的解码器系统包含：

状态分析器（16），其输入端电路连接所述读取机构（7）输出端； 

移位寄存器（18），其若干输入端分别电路连接所述状态分析器（16）输出端；

若干个存储器，其输入端分别电路连接所述移位寄存器（18）的若干输出端；

自检比较器（22），其输入端分别电路连接若干存储器的输出端；

计数器（17），其输入端电路连接所述状态分析器（16）输出端；

初始化模块（21），其输入端电路连接所述计数器，其输出端电路连接所述自检比较器（22），计数器（17）和初始化模块（21）实现系统开机或出现错误的初始化；

状态分析器（16）采集增量码道（1）的增量信号和索引码道（2）的索引信号，输出增量信号至计数器（17），输出索引信号至移位寄存器（18）； 

移位寄存器（18）的若干输入端分别接收索引信号，并分别输出至若干存储器；

若干存储器分别输出索引位置至自检比较器（22），初始化模块（21）输出参考信号至自检比较器（22），自检比较器（22）对索引位置和参考信号进行比较并输出状态和结果。

3.如权利要求1所述的准绝对式光学编码器，其特征在于，所述的码盘机构中增量码道（1）和索引码道（2）之间具有90°的相位差。

4.如权利要求3所述的准绝对式光学编码器，其特征在于，所述的增量码道（1）上刻有若干等间距的增量不透光条纹（3）和增量透光条纹（4），该增量不透光条纹（3）和增量透光条纹（4）相互间隔设置；

所述的索引码道（2）上刻有若干不等间距的索引不透光条纹（5）和索引透光条纹（6），该索引不透光条纹（5）和索引透光条纹（6）以伪随机序列规律排列；

所述增量不透光条纹（3）、索引不透光条纹（5）、索引透光条纹（6）中最窄条纹的条纹宽度一致；

所述增量不透光条纹（3）和增量透光条纹（4）的各个交界处对应各个索引不透光条纹（5）或索引透光条纹（6）的中心点设置。

5.如权利要求4所述的准绝对式光学编码器，其特征在于，所述的索引区上设有宽度与索引不透光条纹（5）和索引透光条纹（6）中最窄条纹的宽度一致的透明窗口。

6.如权利要求4所述的准绝对式光学编码器，其特征在于，每个所述的增量区上设有指示光栅，每个指示光栅内刻线的间距等于增量不透光条纹（3）或增量透光条纹（4）的宽度；每个指示光栅与增量不透光条纹（3）和增量透光条纹（4）产生莫尔条纹，增量区产生增量信号；各增量区产生增量信号之间具有90°的相位差。

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