CN103309281A

CN103309281A - 多路增量式编码器信号实时在线融合器

Info

Publication number: CN103309281A
Application number: CN2013102458645A
Authority: CN
Inventors: 谷文韬; 周少伟; 冯新
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明提出了一种多路增量式编码器信号实时在线融合器。包括输入前置处理单元、CPLD单元、DSP单元、输出接口单元、时钟生成单元以及系统电源单元；输入前置处理单元包括光耦隔离模块、差分转单端模块和电平匹配模块；CPLD单元对多路单端信号以此进行鉴相细分、计数以及数据锁存；DSP单元包括数据融合处理模块以及输出接口选择模块；时钟生成单元为CPLD单元和DSP单元提供时钟信号；系统电源单元为融合器中各个单元供电。本发明能将同一维度的多路测量增量式编码器信号融合为一路精确测量信号，送入机床专用CNC设备上。此时，CNC设备实现对测量的信息实时在线处理，并控制相关运动参数，并提高了测控系统的工作效率，以及测量信息与运动控制的准确度。

Description

多路增量式编码器信号实时在线融合器

技术领域

本发明涉及一种传感器信号处理装置，具体为一种多路增量式编码器信号实时在线融合器。

背景技术

随着我国经济的不断发展，航空、航天、造船、涡轮机、发电机等领域需要大量大型复杂高精度零件，这必然需要相关的大型几何量测量技术作为技术支撑。目前有许多大型几何量无法应用现有的测量仪器和技术进行测量，这是由于当工件尺寸超过仪器测量范围，或由于通视性限制致使无法测量隐藏点时，一台仪器往往不能测量全部工件特征，因此在大尺寸测量领域应用多传感器信息融合有着越来越明显的优势。因为多台仪器组成测量网融合测量不仅可以扩大测量范围，更重要的是提高了冗余性、可靠性和测量精度。多种传感器类型信息互补，优化配置，使测量任务达到最优化。国内有人利用激光跟踪仪测距单元精度高的优点，研究了多路激光跟踪测量系统。但其费用高、体积大、笨重不实用。

不仅如此，国内外数控机床中专用CNC设备对同一维度的多路增量式编码器测量信号的接入无法提供相应技术支持。当采用了多个增量式编码器进行某一运动维度进行位置、速度等测量后，不能实时在线处理相关的测量信息，只能进行事后分析处理，这样机床无法实时获取测量信息，控制相关运动参数。

针对以上情况有必要设计一种多路增量式编码器信号实时在线融合器。该融合器应该具有体积小，造价低，精度高，携带方便和便于安装等特点，并能应用于大尺寸测量领域和数控机床中专用的CNC设备上。在进行对大型轴的角位移的测量和超长物体线位移的测量时，相比于用多个激光跟踪仪连续测角/测距要经济适用。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种多路增量式编码器信号实时在线融合器，以分析处理具有一定失真度、噪声、畸变的同一纬度多路增量式编码器信号，最后融合处理出一路准确的运动编码器信号。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种多路增量式编码器信号实时在线融合器，其特征在于：包括输入前置处理单元、CPLD单元、DSP单元、输出接口单元、时钟生成单元以及系统电源单元；所述输入前置处理单元包括光耦隔离模块、差分转单端模块和电平匹配模块，光耦隔离模块对输入的多路增量式编码器信号进行隔离，差分转单端模块将隔离后的差分信号转换成单端信号，电平匹配模块将单端信号匹配成适合于CPLD单元的电平信号后输出至CPLD单元；CPLD单元对多路单端信号以此进行鉴相细分、计数以及数据锁存，锁存后的数据由DSP单元处理；DSP单元包括数据融合处理模块以及输出接口选择模块，融合处理模块中内置有若干融合算法，融合处理模块根据锁存数据选择相应的融合算法对数据进行融合处理；输出接口选择模块根据融合器与外部连接的输出端口选择接通相应的端口输出电路；时钟生成单元为CPLD单元和DSP单元提供时钟信号；系统电源单元为融合器中各个单元供电。

有益效果

本发明的有益效果是：1.能将同一维度的多路测量增量式编码器信号融合为一路精确测量信号，送入机床专用CNC设备上。此时，CNC设备就像采用传统的编码器一样，实现对测量的信息实时在线处理，并控制相关运动参数，并提高了测控系统的工作效率，以及测量信息与运动控制的准确度。2.在大尺寸零件制造和测量领域可以替代国外超长光栅尺和大型增量式编码器，并可规避其技术封锁，具有很好的技术效益和社会效益。3.在大型轴的角位移的测量和超长物体线位移的测量方面，本发明可以替代国内激光跟踪仪，节约成本并提高测量精度。4.本发明可以填补数控机床中专业CNC设备对同一纬度多路增量式编码器测量信号接入技术的空白。

附图说明

图1是本发明的工程应用示意图。

图2是本发明的功能模块示意图。

图3是本发明的数据传输流程图。

图4是输入前置处理单元的光耦隔离电路实例图。

图5是输入前置处理单元的差分转单端电路实例图。

图6是输入前置处理单元的电平匹配电路实例图。

图7是CPLD单元电路实例图。

图8是DSP单元电路实例图。

图9是输出接口单元的RS232/RS485接口电路实例图。

图10是输出接口单元的以太网接口电路实例图。

图11是时钟生成单元电路实例图。

图12是系统电源单元的3.3V电源电路实例图。

图13是系统电源单元的1.2V电源电路实例图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

如图1所示，其为本发明的工程应用示意图。其中包括融合器10、机床20、增量式编码器201以及上位机202。

在实际工程应用的时候，多路可能带有噪声干扰或其他原因导致的不太准确的反映同一纬度位置或速度信息的增量式编码器信号由机床20上的增量式编码器201输出至融合器10，然后由融合器10融合处理后输出一路准确的信号至机床20上的上位机202，这样机床20可以实时在线对加工零件进行精确加工。

如图2所示，其为本发明的功能模块示意图。所述的融合器10包括输入前置处理单元101、CPLD单元102、DSP单元103、输出接口单元104、时钟生成单元105以及系统电源单元106。

所述的输入前置处理单元101包括光耦隔离模块1011、差分转单端模块1012、电平匹配模块1013三部分。当多路增量式编码器信号由增量式编码器201输入至融合器10时，首先由光耦隔离模块1011对输入信号进行隔离处理，这样能隔除外界对融合器10系统的干扰，保证系统的稳定安全。其次由差分转单端模块1012将输入的差分信号转换成单端信号。最后由电平匹配模块1013将单端信号匹配成适合于CPLD单元的电平信号后输入至CPLD单元102。

所述的CPLD单元102对已经过电平匹配的多路单端信号依次进行鉴相细分1021、计数1022以及数据锁存1023。经过数据锁存1023后，数据将由DSP单元103读取处理。

所述的DSP单元103包括数据融合处理模块1031以及输出接口选择模块1032两部分。在数据融合处理模块中，将公知的若干融合算法程序化，然后由计算机将编译好的程序从相应的程序下载端口下装到DSP芯片的数据融合处理模块中，融合处理模块根据锁存数据选择相应的融合算法对数据进行融合处理。本实施例中给出两种常见的情况及其对应的融合算法，第一种情况，当不知道编码器测量数据的任何先验知识，需要依据估计的各编码器的方差变化及时调整参与融合器的各编码器的权系数，使融合系统的均方误差始终最小，可选择多编码器（传感器）数据自适应加权融合估计算法；第二种情况，当需要检测异常编码器数据以及在对各编码器数据求取均方值的基础上设置自适应阈值，可选择基于线性约束截断最小二乘和递归神经网络的数据融合算法。

在实现数据融合处理后，根据上位机202对输出接口的选择，输出接口选择模块根据融合器与外部连接的输出端口选择接通相应的端口输出电路。本实施例中，当一端与上位机202连接的外部线缆，该外部线缆的另一端连接融合器10的RS232/RS485接口1041，则相关的RS232/RS485接口1041电路开始工作，以太网接口1042电路不工作，DSP单元103内部的输出接口选择模块1032的程序被激活，融合处理后的数据则选择RS232/RS485接口1041输出；同理，当该外部线缆的另一端连接的是以太网接口1042，融合处理后的数据则选择以太网接口1042输出。即为了满足用户的不同需求，增强融合器使用的通用性，可将融合后的信号选择由1路RS232/RS485接口1041输出，此处可由硬件跳线选择是RS232协议或者是RS485协议；也可选择由1路以太网接口1042输出。最终通过其中一路输出接口输出一路融合后的准确信号至上位机202。

所述的时钟生成单元105将为CPLD单元102和DSP单元103提供时钟信号，其他外围电路所需时钟由CPLD单元102或者DSP单元103提供。

所述的系统电源单元106由外部电源适配器提供电源，然后将提供的电源转换为相应的适合电源提供给CPLD单元102、DSP单元103以及其他单元。

参照图3所示，其为本发明的数据传输流程图。系统上电开始，首先分别对端口和通信数据区进行初始化（步骤301、302）；接着判断所需要进行通信的端口（步骤303）；如果是以太网接口（304步骤）则接收上位机的握手信号（步骤306），否则返回步骤303，继续判断是RS232/RS485接口（步骤305），接收上位机的握手信号（步骤306），否则返回步骤303，继续判断接口；当步骤304或者步骤305成功执行进入下一步，则系统接收上位机的握手信号（步骤306）；接着判断是否收到握手信号（步骤307），如果没有收到握手信号则返回步骤306继续等待上位机的握手信号，如果已接收到上位机的握手信号，则开始通过RS232/RS485接口或者以太网接口向上位机发送系统融合处理后的一路准确数据（步骤308）。最后判断数据发送是否完毕（步骤309），如果数据没有发送完毕则返回步骤308继续发送数据直到确认发送数据完毕，这样整个数据传输过程结束。

参照图4所示，其为输入前置处理单元的光耦隔离电路实例图；参照图5所示，其为输入前置处理单元的差分转单端电路实例图；参照图6所示，其为输入前置处理单元的电平匹配电路实例图；参照图7所示，其为CPLD单元电路实例图；参照图8所示，其为DSP单元电路实例图；参照图9所示，其为输出接口单元的RS232/RS485接口电路实例图；参照图10所示，其为输出接口单元的以太网接口电路实例图；参照图11所示，其为时钟生成单元电路实例图；参照图12所示，其为系统电源单元的3.3V电源电路实例图；参照图13所示，其为系统电源单元的1.2V电源电路实例图。

Claims

1.一种多路增量式编码器信号实时在线融合器，其特征在于：包括输入前置处理单元、CPLD单元、DSP单元、输出接口单元、时钟生成单元以及系统电源单元；所述输入前置处理单元包括光耦隔离模块、差分转单端模块和电平匹配模块，光耦隔离模块对输入的多路增量式编码器信号进行隔离，差分转单端模块将隔离后的差分信号转换成单端信号，电平匹配模块将单端信号匹配成适合于CPLD单元的电平信号后输出至CPLD单元；CPLD单元对多路单端信号以此进行鉴相细分、计数以及数据锁存，锁存后的数据由DSP单元处理；DSP单元包括数据融合处理模块以及输出接口选择模块，融合处理模块中内置有若干融合算法，融合处理模块根据锁存数据选择相应的融合算法对数据进行融合处理；输出接口选择模块根据融合器与外部连接的输出端口选择接通相应的端口输出电路；时钟生成单元为CPLD单元和DSP单元提供时钟信号；系统电源单元为融合器中各个单元供电。