CN103134532A - 一种基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法，包括编码和解码；所述编码包括设置起始码；产生位数为b的所有信息码并依次排列同时分配对应位置号；对每个信息码前加上起始码组合成n个编码信息；设置一圆周长为L的环形的圆周码道，在圆周码道上划分出n个码区，每一码区包括若干个黑条纹和白条纹，其中黑条纹代表二进制码0，白条纹代表二进制码1，对照依次排列的编码信息逐一设置各码区中的黑条纹和白条纹的组合方式；本发明可通过电机带动已经完成编码的圆周码道旋转，进而光电检测装置检测到圆周码道上任意位置的编码信息光信号并经过光电转换得到编码信息电信号，再通过解码完成位置判定，编码简单、解码方便、位置定位准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法。
背景技术
随着制造和自动化技术的迅速发展，对位置测量的精度要求越来越高，位置编码器作为一种融合数字技术和计算机技术的数字式传感器已经被广泛地应用于生活和生产中；位置编码器轨道有圆周、曲线、直线等种类，根据码道的数量不同来划分位置判定的编码方法则主要有单码道编码、双码道编码和多码道编码三种，其中双码道编码的两个码道上都是等间距条纹，但不同码道上条纹间距不同，位置信息由码道间构成的拍信号的相位给出，这种方法存在信号处理复杂、成本高的缺点；而多码道编码的每条码道表示二进制编码的某一位，编码能力取决于码道的多少，这种编码技术制造复杂。当前位置判定应用最多的测量方法是光电式位移测量，通常采用两片光栅组合的增量计数法和一片光栅的绝对位置编码法；其中增量计数法通过两片光栅相对运动产生的脉冲序列进行计数，用具有方向性的累计数来表示位移的变化量，这种方法原理简单，所用的光栅工艺流程短、成本低，但其缺点在于数据的可靠性较差，一旦累计计数产生差错，这种误差会一直保留到测量结束，并且在测量过程中一旦发生断电，则所记数据立即全部丢失，无法恢复；而绝对位置编码法在一片光栅上刻以特定规则的编码，被测量的所有位置均有唯一编码与之对应，并且重新上电后这种对应关系不变，从而保证了数据的可靠性；基于多码道光栅的编码方法其装置制造工艺流程长，成本高，而且与之对应的光电转换元件和电子器件也比较多，因此测量装置结构复杂，外型尺寸无法缩小；对此本申请人已在2012年1月13日申请了专利名称为《一种基于绝对位置判定的单码道编解码方法》，专利申请号为201210012665.5的专利申请，该申请相对多码道编解码方法定位准确度高，但对于实际应用来说，该申请针对直线单码道进行编解码，采用单向顺序编码，码道的首尾分别存在一个码长的检测盲区，同时发光装置和光电检测装置只能位于码道的内外两侧，局限了位置检测的方向，并且解码方法在去除起始码时存在起始码不完整问题。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种采用绝对位置循环编码、编码简单、解码方便、位置定位快速准确的基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法。
本发明的技术手段如下：
一种基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法，包括：
A：编码；
A1：设置起始码为首位是二进制1、末位是二进制1，首位与末位之间为（a-2）个二进制0的a位起始码，其中a为起始码的位数；
A2：随机生成一个b位二进制信息码，通过加法器基于生成的该二进制信息码执行加1操作，产生位数为b的所有信息码并依次排列同时分配对应位置号，再针对每一个信息码统计二进制1前的连0个数，若该信息码所包括的任意一个二进制1前的连0个数不小于（a-2），则删除该信息码，同时将排列在该信息码后面的信息码位置提前，得到信息码与位置号相对应的编码个数为n的信息码库，其中b为信息码的位数、n为信息码库的编码个数；
A3：对每个信息码前加上起始码组合成n个编码信息，每个编码信息由位数为a的起始码和位数为b的信息码构成，同时与信息码的位置号相对应；
A4：设置一圆周长为L的环形的圆周码道，在圆周码道上划分出n个码区，各码区在圆周码道上依次相连，首尾相接；每一码区包括若干个黑条纹和白条纹，其中黑条纹代表二进制码0，白条纹代表二进制码1，根据公式d=L/[(a+b)*n]得出码间距d，按照码间距d设置代表码字的黑条纹和白条纹之间的间距，对照依次排列的编码信息逐一设置各码区中的黑条纹和白条纹的组合方式，，同时根据信息码的位置号更新圆周码道各码区的位置编号；
B：解码；
B1：通过检测到的圆周码道上任意位置的（a+b）个黑条纹和白条纹的组合方式获取编码信息，对得到的（a+b）位编码信息统计任意二进制1前连0的个数并判断是否所有二进制1前连0的个数均小于（a-2）,是则执行B2，否则执行B3；
B2：对（a+b）位编码信息中第一位二进制1和最后一个二进制1之间的b位码字取出即为当前信息码，执行B8；
B3：对于某一位二进制1前连0的个数为（a-2），则将此位二进制1的下一位至末位共m位编码取出作为高位码，同时将（a-2）个0前的所有编码取出并去掉末位得到共（b-m）编码作为低位码，其中m为高位码的个数，（b-m）为低位码的个数，执行B4；
B4：对（b-m）位低位码执行加1操作后，判断其所包括的二进制1前连O的个数是否不小于（a-2）,是则执行B4，否则执行B5；
B5：将m位高位码作为高位与（b-m）低位码作为低位组合成为一个新的b位信息码，执行B6；
B6：判断组合后的新的b位信息码所包括的二进制1前连0的个数是否不小于（a-2），是则执行B7，否则执行B8；
B7：将（b-m）位低位码和m位高位码拆开，得到（b-m）位低位码和m位高位码，对（b-m）位低位码执行加1操作后，执行B5；
B8：对照b位信息码查找信息码库获取对应的位置号，进而得到对应码区的位置编号完成定位；
进一步地，起始码的位数a和信息码的位数b满足：a≥b/2+2,且b为偶数；
进一步地，起始码的位数a和信息码的位数b满足：a≥（b+1）/2,且b为奇数。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法，可以通过电机带动已经完成编码的圆周码道旋转，由于黑条纹和白条纹的透光性和反射性均不同，则可以通过在圆周码道两侧分别设置发光装置和光电检测装置或者在圆周码道同一侧设置发光装置和光电检测装置，从而实现在圆周码道转动过程中，发光装置所发出的光经过圆周码道，由于每一码区包括对应唯一编码信息的若干个黑条纹和白条纹，其中黑条纹代表二进制码0，白条纹代表二进制码1，同时黑条纹和白条纹的透光性和反射性均不同，进而光电检测装置检测到圆周码道上任意位置的编码信息光信号并经过光电转换后得到编码信息电信号，再通过解码完成位置判定，且在码道上排列所有编码，编码及解码简单，每一码区的编码信息与该码区的位置有直接对应关系，可以唯一映像到相应位置，能够实现快速准确定位，可靠性高，相对于针对直线单码道的编解码方法，采用圆周码道循环编码，在圆周码道上划分出n个码区，各码区在圆周码道上依次相连，首尾相接，解决了由于采用单向顺序编码而存在的码道的首尾存在的检测盲区问题，实现了无盲区定位，提高了检测的准确性，由于黑条纹和白条纹的透光性和反射性均不同，发光装置和光电检测装置可位于圆周码道的同侧或两侧，增加了位置检测的灵活性，另外在解码方法上通过新的判断方法去除起始码，对检测到的（a+b）位编码信息统计任意二进制1前连0的个数并当编码信息所包括的所有二进制1前连0的个数均小于（a-2），作将第一位二进制1和最后一个二进制1之间的b位码字取出即为当前信息码的处理，避免了针对直线单码道的编解码方法在去除起始码时存在起始码不完整的问题，降低了解码出错率。本发明中的圆周码道编解码方法采用圆周循环编码和新型解码方法，在保持直线码道编码优点的基础上提高了检测的灵活性、准确性和效率。
附图说明
图1是本发明圆周码道编解码系统的结构示意图；
图2是本发明所述圆周码道的结构示意图；
图3是本发明所述编码步骤的流程图；
图4是本发明所述解码步骤的流程图。
图中：1、圆周码道，2、光电检测装置。
具体实施方式
如图1、图2、图3和图4所示的一种基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法，包括：
A：编码；
A1：设置起始码为首位是二进制1、末位是二进制1，首位与末位之间为（a-2）个二进制0的a位起始码，其中a为起始码的位数；
A2：随机生成一个b位二进制信息码，通过加法器基于生成的该二进制信息码执行加1操作，产生位数为b的所有信息码并依次排列同时分配对应位置号，再针对每一个信息码统计二进制1前的连0个数，若该信息码所包括的任意一个二进制1前的连0个数不小于（a-2），则删除该信息码，同时将排列在该信息码后面的信息码位置提前，得到信息码与位置号相对应的编码个数为n的信息码库，其中b为信息码的位数、n为信息码库的编码个数；
A3：对每个信息码前加上起始码组合成n个编码信息，每个编码信息由位数为a的起始码和位数为b的信息码构成，同时与信息码的位置号相对应；
A4：设置一圆周长为L的环形的圆周码道，在圆周码道上划分出n个码区，各码区在圆周码道上依次相连，首尾相接；每一码区包括若干个黑条纹和白条纹，其中黑条纹代表二进制码0，白条纹代表二进制码1，根据公式d=L/[(a+b)*n]得出码间距d，按照码间距d设置代表码字的黑条纹和白条纹之间的间距，对照依次排列的编码信息逐一设置各码区中的黑条纹和白条纹的组合方式，，同时根据信息码的位置号更新圆周码道各码区的位置编号；
B：解码；
B1：通过检测到的圆周码道上任意位置的（a+b）个黑条纹和白条纹的组合方式获取编码信息，对得到的（a+b）位编码信息统计任意二进制1前连0的个数并判断是否所有二进制1前连0的个数均小于（a-2）,是则执行B2，否则执行B3；
B2：对（a+b）位编码信息中第一位二进制1和最后一个二进制1之间的b位码字取出即为当前信息码，执行B8；
B3：对于某一位二进制1前连0的个数为（a-2），则将此位二进制1的下一位至末位共m位编码取出作为高位码，同时将（a-2）个0前的所有编码取出并去掉末位得到共（b-m）编码作为低位码，其中m为高位码的个数，（b-m）为低位码的个数，执行B4；
B4：对（b-m）位低位码执行加1操作后，判断其所包括的二进制1前连O的个数是否不小于（a-2）,是则执行B4，否则执行B5；
B5：将m位高位码作为高位与（b-m）低位码作为低位组合成为一个新的b位信息码，执行B6；
B6：判断组合后的新的b位信息码所包括的二进制1前连0的个数是否不小于（a-2），是则执行B7，否则执行B8；
B7：将（b-m）位低位码和m位高位码拆开，得到（b-m）位低位码和m位高位码，对（b-m）位低位码执行加1操作后，执行B5；
B8：对照b位信息码查找信息码库获取对应的位置号，进而得到对应码区的位置编号完成定位；
进一步地，起始码的位数a和信息码的位数b满足：a≥b/2+2,且b为偶数；
进一步地，起始码的位数a和信息码的位数b满足：a≥（b+1）/2,且b为奇数。
如图1所示为本发明圆周码道编解码系统的结构示意图，应用时发光装置可以置于光电检测装置同一侧，或与光电检测装置分别置于圆周码道的两侧，控制和信息处理模块用于完成发光装置的发光动作以及光电检测装置的光电转换动作，对圆周码道按照如图3所示的编码步骤完成编码，可以通过电机带动已经完成编码的圆周码道旋转，发光装置所发出的光经过圆周码道，如图2所示为1/4圆周码道，代表码字的黑条纹和白条纹按照码间距d在圆周码道上依次排列，每一码区通过对应唯一编码信息的若干个黑条纹和白条纹代表了由起始码和信息码构成的编码信息，同时各码区具有位置编号同时也体现了信息码在信息码库中的位置号，其中黑条纹代表二进制码0，白条纹代表二进制码1，同时黑条纹和白条纹的透光性和反射性均不同，进而光电检测装置检测到圆周码道上任意位置的编码信息光信号并经过光电转换后得到编码信息电信号，再通过控制和信息处理模块接收光电检测装置传输过来的编码信息电信号完成解码实现位置判定。
下面举例来说明编码步骤的过程，设置起始码的位数a=5,信息码的位数b=5,则生成首位是二进制1、末位是二进制1，首位与末位之间为a-2个即3个二进制0的5位起始码10001，随机生成5位信息码01111同时更新其位置号为1，那么在圆周码道上通过黑条纹和白条纹的组合方式来体现该信息码的码区的位置编号则为第一区，利用加法器基于生成的信息码01111执行加1操作，产生位数为5的所有信息码10000、10001、10010…，并依次排列同时分配对应位置号，再针对每一个信息码统计二进制1前的连0个数，若该信息码所包括的任意一个二进制1前的连0个数大于等于3，则删除该信息码，同时将排列在该信息码后面的信息码位置提前，共得到信息码与位置号相对应的编码个数为24的信息码库，如下表1所示。
表1.位数为5的信息码库
| 信息码 | 位置号 |
| 01111 | 1 |
| 10010 | 2 |
| 10011 | 3 |
| 10100 | 4 |
| 10101 | 5 |
| 10110 | 6 |
| 10111 | 7 |
| 11001 | 8 |
| 11010 | 9 |
| 11011 | 10 |
| 11100 | 11 |
| 11101 | 12 |
| 11110 | 13 |
| 11111 | 14 |
| 00100 | 15 |
| 00101 | 16 |
| 00110 | 17 |
| 00111 | 18 |
| 01001 | 19 |
| 01010 | 20 |
| 01011 | 21 |
| 01100 | 22 |
| 01101 | 23 |
| 01110 | 24 |
将每个信息码前加上起始码10001，在圆周码道上划分24个码区，每一码区包括若干个黑条纹和白条纹，其中黑条纹代表二进制码0，白条纹代表二进制码1，按照码间距d=L/[(a+b)*n]=L/(10*24)设置代表码字的黑条纹和白条纹之间的间距，对照依次排列的编码信息逐一设置各码区中的黑条纹和白条纹的组合方式，同时根据信息码的位置号更新圆周码道各码区的位置编号如第一区、第二区…,完成编码过程。
解码步骤参考图4所示，分为检测到的编码信息所包括的起始码完整和不完整两种情况：1、起始码不完整的情况：假设所检测到的圆周码道上任意位置的编码信息为0011100110，则对该10位编码信息统计任意二进制1前连0的个数，其中起始码的位数a=5,信息码的位数b=5,所有二进制1前连0的个数均小于a-2，则将该10位编码信息中第一个二进制1和最后一个二进制1之间的b位码取出，即为当前信息码，对照该b位信息码11001查找信息码库获取对应的位置号，进而得到对应码区的位置编号为第8区完成定位。2、起始码完整的情况：假设所检测到的圆周码道上任意位置的编码信息为1111000111，则对该10位编码信息统计任意二进制1前连0的个数，其中起始码的位数a=5,信息码的位数b=5,得到了第8位二进制1前连0的个数为a-2=3，则取出第9位和第10位码字，得到11作为高位码，高位码位数m=2,同时将连续3个0前的所有编码1111取出并去掉末位1得到(b-m)=3位低位码111，从而完成了去除起始码的操作，对低位码111执行加1操作，得到000并判断连0个数等于3，继续加1得到001，将高位码11与低位码001组合，得到11001作为新的b位信息码，该码中连0个数小于3，对照该b位信息码11001查找信息码库获取对应的位置号，进而得到对应码区的位置编号为第8区完成定位。
关于表征能力和编码效率，考虑到编码效率，因此编码时取a≥b/2+2（b为偶数）或a≥（b+1）/2（b为奇数），编码表征能力为：2b-2b-a+3-(b-a)2b-a+1，编码效率：(2b-2b-a+3-(b-a)2b-a+1)/(b+a)，解码效率比直线码道提高了：a/b。
本发明提供的一种基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法，可以通过电机带动已经完成编码的圆周码道旋转，由于黑条纹和白条纹的透光性和反射性均不同，则可以通过在圆周码道两侧分别设置发光装置和光电检测装置或者在圆周码道同一侧设置发光装置和光电检测装置，从而实现在圆周码道转动过程中，发光装置所发出的光经过圆周码道，由于每一码区包括对应唯一编码信息的若干个黑条纹和白条纹，其中黑条纹代表二进制码0，白条纹代表二进制码1，同时黑条纹和白条纹的透光性和反射性均不同，进而光电检测装置检测到圆周码道上任意位置的编码信息光信号并经过光电转换后得到编码信息电信号，再通过解码完成位置判定，且在码道上排列所有编码，编码及解码简单，每一码区的编码信息与该码区的位置有直接对应关系，可以唯一映像到相应位置，能够实现快速准确定位，可靠性高，相对于针对直线单码道的编解码方法，采用圆周码道循环编码，在圆周码道上划分出n个码区，各码区在圆周码道上依次相连，首尾相接，解决了由于采用单向顺序编码而存在的码道的首尾存在的检测盲区问题，实现了无盲区定位，提高了检测的准确性，由于黑条纹和白条纹的透光性和反射性均不同，发光装置和光电检测装置可位于圆周码道的同侧或两侧，增加了位置检测的灵活性，另外在解码方法上通过新的判断方法去除起始码，对检测到的（a+b）位编码信息统计任意二进制1前连0的个数并当编码信息所包括的所有二进制1前连0的个数均小于（a-2），作将第一位二进制1和最后一个二进制1之间的b位码字取出即为当前信息码的处理，避免了针对直线单码道的编解码方法在去除起始码时存在起始码不完整的问题，降低了解码出错率。本发明中的圆周码道编解码方法采用圆周循环编码和新型解码方法，在保持直线码道编码优点的基础上提高了检测的灵活性、准确性和效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法，其特征在于包括：
A：编码；
A1：设置起始码为首位是二进制1、末位是二进制1，首位与末位之间为（a-2）个二进制0的a位起始码，其中a为起始码的位数；
A2：随机生成一个b位二进制信息码，通过加法器基于生成的该二进制信息码执行加1操作，产生位数为b的所有信息码并依次排列同时分配对应位置号，再针对每一个信息码统计二进制1前的连0个数，若该信息码所包括的任意一个二进制1前的连0个数不小于（a-2），则删除该信息码，同时将排列在该信息码后面的信息码位置提前，得到信息码与位置号相对应的编码个数为n的信息码库，其中b为信息码的位数、n为信息码库的编码个数；
A3：对每个信息码前加上起始码组合成n个编码信息，每个编码信息由位数为a的起始码和位数为b的信息码构成，同时与信息码的位置号相对应；
A4：设置一圆周长为L的环形的圆周码道，在圆周码道上划分出n个码区，各码区在圆周码道上依次相连，首尾相接，每一码区包括若干个黑条纹和白条纹，其中黑条纹代表二进制码0，白条纹代表二进制码1，根据公式d=L/[(a+b)*n]得出码间距d，按照码间距d设置代表码字的黑条纹和白条纹之间的间距，对照依次排列的编码信息逐一设置各码区中的黑条纹和白条纹的组合方式，同时根据信息码的位置号更新圆周码道各码区的位置编号；
B：解码；
B1：通过检测到的圆周码道上任意位置的（a+b）个黑条纹和白条纹的组合方式获取编码信息，对得到的（a+b）位编码信息统计任意二进制1前连0的个数并判断是否所有二进制1前连0的个数均小于（a-2）,是则执行B2，否则执行B3；
B2：对（a+b）位编码信息中第一位二进制1和最后一个二进制1之间的b位码字取出即为当前信息码，执行B8；
B3：对于某一位二进制1前连0的个数为（a-2），则将此位二进制1的下一位至末位共m位编码取出作为高位码，同时将（a-2）个0前的所有编码取出并去掉末位得到共（b-m）编码作为低位码，其中m为高位码的个数，（b-m）为低位码的个数，执行B4；
B4：对（b-m）位低位码执行加1操作后，判断其所包括的二进制1前连O的个数是否不小于（a-2）,是则执行B4，否则执行B5；
B5：将m位高位码作为高位与（b-m）低位码作为低位组合成为一个新的b位信息码，执行B6；
B6：判断组合后的新的b位信息码所包括的二进制1前连0的个数是否不小于（a-2），是则执行B7，否则执行B8；
B7：将（b-m）位低位码和m位高位码拆开，得到（b-m）位低位码和m位高位码，对（b-m）位低位码执行加1操作后，执行B5；
B8：对照b位信息码查找信息码库获取对应的位置号，进而得到对应码区的位置编号完成定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法，其特征在于起始码的位数a和信息码的位数b满足：a≥b/2+2,且b为偶数。
3.根据权利要求1所述的一种基于绝对位置判定的圆周码道编解码方法，其特征在于起始码的位数a和信息码的位数b满足：a≥（b+1）/2,且b为奇数。
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