CN103560780B - 一种绝对光栅信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种绝对光栅信号处理方法，所述信号处理方法包括以下步骤：首先，在由信号处理板卡提供的时钟信号CLK0I+、CLK0I-的激励下，绝对光栅的数据信号DATA0I+、DATA0I-共模滤波后经差分收发模块I传输给可编程逻辑器件，可编程逻辑器件对输入信号处理后输出两路与输入信号相同的信号，一路信号经差分收发模块II并共模滤波后传输给驱动器，令一路信号经差分收发模块III并共模滤波后传输给上位机。本发明将绝对光栅信号一分为二，实现了驱动器和上位机同时需要位置反馈时反馈给上位机的位置信号是绝对信号，使得上位机控制系统有效地发挥了绝对光栅相比于增量光栅在位置控制中的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种绝对光栅信号处理方法，主要应用于机电控制系统，属于信号处理技术领域。
背景技术
微纳米测量技术在微机电系统（MEMS）装配与集成、集成电路（IC）制造与封装、超精密加工等领域广泛应用，并朝着高速、高精度方向发展。光栅尺具有精度高、抗干扰能力强、寿命长等优点，成为微纳米位置测量的主要工具。绝对光栅的测量原理是在标尺光栅上刻划一条带有绝对位置编码的码道，读数头通过读取当前位置的编码可以得到绝对位置。绝对式光栅尺相比于增量光栅的最大优势是开电后直接得到当前位置信息，无需“归零”操作，简化控制系统设计。
以绝对光栅作为位置测量器件的实际控制系统中，若驱动器和上位机同时需要位置反馈，目前采用的方式是绝对光栅将运动台的绝对位置反馈给驱动器，而由驱动器将运动台的增量位移反馈给上位机。由于上位机得到的位移反馈为增量值，运动控制算法较为麻烦，因此在上位机控制系统中，绝对光栅相比于增量光栅在位置控制中的优势并没有得到有效地利用。
发明内容
以绝对光栅作为位置测量器件的实际控制系统中，当驱动器和上位机同时需要位置反馈时，为了实现上位机得到的位移反馈为绝对值，有效地发挥了绝对光栅相比于增量光栅在位置控制中的优势，本发明设计了一种绝对光栅信号处理方式，将绝对光栅信号一分为二，同时反馈给驱动器和上位机。
本发明的技术方案如下：
所述绝对光栅信号包括DATA0I+、DATA0I-、CLK0I+、CLK0I-，其中，DATA0I+、DATA0I-为数据信号，CLK0I+、CLK0I-为时钟信号，其特征在于：绝对光栅信号采用如下信号处理板卡进行处理：该信号处理板卡包括可编程逻辑器件、差分收发模块和共模滤波模块；
所述可编程逻辑器件分为顶层模块及时钟发生子模块、数据接收子模块、数据发送子模块I、数据发送子模块II和使能子模块；其中，顶层模块用于设置数据接收模块的配置信息和实例化各子模块；时钟发生子模块用于将可编程逻辑器件的系统时钟分频以产生所需的同步时钟；使能子模块用于使能数据接收子模块和数据发送子模块I、数据发送子模块II；数据接收子模块用于接收绝对光栅的数据信号，将绝对光栅串行的数据信号转换为并行的数据信号，并通过分时复用将一路并行的数据信号分成完全相同的两路并行的数据信号，分别输出给数据发送子模块I和数据发送子模块II；数据发送子模块I和数据发送子模块II用于将接收的并行的数据信号转换为串行的数据信号，附加时钟信号发送出去；
所述差分收发模块用于实现可编程逻辑器件与绝对光栅、驱动器或上位机的信号传输；所述共模滤波模块用于实现信号的共模滤波；
所述信号处理方法包括以下步骤：
1）可编程逻辑器件提供的同步时钟信号CLK0_O经差分收发模块I转变成时钟信号CLK0+、CLK0-，再经共模滤波模块I共模滤波后转变成时钟信号CLK0I+、CLK0I-传输给绝对光栅；绝对光栅在时钟信号CLK0I+、CLK0I-激励下将数据信号DATA0I+、DATA0I-通过绝对光栅接口传输到信号处理板卡，经共模滤波模块I共模滤波后转变成数据信号DATA0+、DATA0-，再经差分收发模块I转变成数据信号DATA0_I、DATA0_O传输给可编程逻辑器件；
2）所述可编程逻辑器件采用硬件编程语言，对数据信号DATA0_I、DATA0_O处理后，输出完全相同的两路绝对光栅信号，即第一输出信号DATA1_I、DATA1_O、CLK1_O和第二输出信号DATA2_I、DATA2_O、CLK2_O；第一输出信号的数据信号DATA1_I、DATA1_O或第二输出信号的数据信号DATA2_I、DATA2_O与数据信号DATA0_I、DATA0_O也相同；
3）第一输出信号DATA1_I、DATA1_O、CLK1_O经差分收发模块II转变成信号DATA1+、DATA1-、CLK1+、CLK1-，再经共模滤波模块II共模滤波后转变成信号DATA1O+、DATA1O-、CLK1O+、CLK1O-，通过驱动器接口传输给驱动器；第二输出信号DATA2_I、DATA2_O、CLK2_O经差分收发模块III转变成DATA2+、DATA2-、CLK2+、CLK2-，再经共模滤波模块III共模滤波后转变成信号DATA2O+、DATA2O-、CLK2O+、CLK2O-，通过第二通道接口传输给上位机。
所述的可编程逻辑器件的输入还包括拨码开关，用于预设绝对光栅信号的字长；所述的可编程逻辑器件的输出还包括指示信号，指示信号由LED灯组成，用于确认实际绝对光栅字长是否与预设值一致。
本发明具有以下优点及突出性的技术成果：本发明将一路绝对光栅信号分为完全相同的两路，一路作为驱动器的位置反馈，另一路作为上位机的位置反馈；所提出的绝对信号处理方法简单、可靠；在绝对光栅作为位置测量器件的实际控制系统中，若驱动器和上位机同时需要位置反馈，能够实现上位机得到的位移反馈为绝对值，使得上位机控制系统有效地发挥了绝对光栅相比于增量光栅在位置控制中的优势。
附图说明
图1为本发明可编程逻辑器件框图。
图2为本发明绝对光栅信号处理方法原理示意图。
图3为本发明绝对光栅接口的电路图。
图4为本发明差分收发模块I的电路图。
图5为本发明共模滤波模块I的电路图。
图6为本发明驱动器接口电路的电路图。
图7为本发明第二通道接口电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和工作过程来进一步说明本发明。
图1为本发明可编程逻辑器件框图。可编程逻辑器件分为顶层模块及时钟发生子模块、数据接收子模块、数据发送子模块I、数据发送子模块II和使能子模块；其中，顶层模块用于设置数据接收模块的配置信息和实例化各子模块；时钟发生子模块用于将可编程逻辑器件的系统时钟分频以产生所需的同步时钟；使能子模块用于使能数据接收子模块和数据发送子模块I、数据发送子模块II；数据接收子模块用于接收绝对光栅的数据信号，将绝对光栅串行的数据信号转换为并行的数据信号，并通过分时复用将一路并行的数据信号分成完全相同的两路并行的数据信号，分别输出给数据发送子模块I和数据发送子模块II；数据发送子模块I和数据发送子模块II用于将接收的并行的数据信号转换为串行的数据信号，附加时钟信号发送出去；
图2为本发明绝对光栅信号处理方法原理示意图。所述绝对光栅信号包括DATA0I+、DATA0I-、CLK0I+、CLK0I-，其中，DATA0I+、DATA0I-为数据信号，CLK0I+、CLK0I-为时钟信号，其特征在于：绝对光栅信号采用如下信号处理板卡进行处理：该信号处理板卡包括可编程逻辑器件、差分收发模块和共模滤波模块。所述差分收发模块用于实现可编程逻辑器件与绝对光栅、驱动器或上位机的信号传输。所述共模滤波模块用于实现信号的共模滤波。信号处理板卡的电源可由外接电源提供，也可通过驱动器接口由驱动器提供或者通过第二通道接口由上位机提供，但三者只能选则其一，切勿同时供电。
所述信号处理方法包括以下步骤：
1）可编程逻辑器件提供的同步时钟信号CLK0_O经差分收发模块I转变成时钟信号CLK0+、CLK0-，再经共模滤波模块I共模滤波后转变成时钟信号CLK0I+、CLK0I-传输给绝对光栅；绝对光栅在时钟信号CLK0I+、CLK0I-激励下将数据信号DATA0I+、DATA0I-通过绝对光栅接口传输到信号处理板卡，经共模滤波模块I共模滤波后转变成数据信号DATA0+、DATA0-，再经差分收发模块I转变成数据信号DATA0_I、DATA0_O传输给可编程逻辑器件；
2）所述可编程逻辑器件采用硬件编程语言，对数据信号DATA0_I、DATA0_O处理后，输出完全相同的两路绝对光栅信号，即第一输出信号DATA1_I、DATA1_O、CLK1_O和第二输出信号DATA2_I、DATA2_O、CLK2_O；第一输出信号的数据信号DATA1_I、DATA1_O或第二输出信号的数据信号DATA2_I、DATA2_O与数据信号DATA0_I、DATA0_O也相同；
3）第一输出信号DATA1_I、DATA1_O、CLK1_O经差分收发模块II转变成信号DATA1+、DATA1-、CLK1+、CLK1-，再经共模滤波模块II共模滤波后转变成信号DATA1O+、DATA1O-、CLK1O+、CLK1O-，通过驱动器接口传输给驱动器；第二输出信号DATA2_I、DATA2_O、CLK2_O经差分收发模块III转变成DATA2+、DATA2-、CLK2+、CLK2-，再经共模滤波模块III共模滤波后转变成信号DATA2O+、DATA2O-、CLK2O+、CLK2O-，通过第二通道接口传输给上位机。
所述的可编程逻辑器件的输入还包括拨码开关，用于预设绝对光栅信号的字长；所述的可编程逻辑器件的输出还包括指示信号，指示信号由LED灯组成，用于确认实际绝对光栅字长是否与预设值一致。
图3为本发明绝对光栅接口电路的实施例，绝对光栅接口为DB9接口。绝对光栅的电源可由外接电源提供或者通过绝对光栅接口由信号处理板卡提供。本实施例中绝对光栅的电源是由信号处理板卡的电源经滤波后通过管脚3、8、4、9提供的，电源的滤波元件包括电容C33、共模电感L5(ACM3225-601-2P)、电解电容C13和电解电容C36。时钟信号CLK0I+、CLK0I-分别通过管脚7、2传输给绝对光栅，在该时钟信号的激励下，绝对光栅的数据信号DATA0I+、DATA0I-分别通过管脚6、1传输到信号处理板卡。
图4为本发明差分收发模块I的实施例，由2个RS485专用差分收发器SN65HVD10组成。图5为本发明共模滤波模块I的实施例，由2个共模电感ACM3225-601-2P和1个电阻组成。可编辑逻辑器件的时钟发生子模块产生的同步时钟信号CLK0_O经差分收发模块I转变成时钟信号CLK0+、CLK0-，时钟信号CLK0+、CLK0-共模滤波后转变成时钟信号CLK0I+、CLK0I-，通过绝对光栅接口传输给绝对光栅。绝对光栅在时钟信号CLK0I+、CLK0I-的激励下输出的数据信号DATA0I+、DATA0I-共模滤波后转变成数据信号DATA0+、DATA0-，数据信号DATA0-、DATA0+经差分收发模块I转变成数据信号DATA0_O、DATA0_I后传输给可编辑逻辑器件。其中时钟信号CLK0+、CLK0-分别接在共模电感L2的两端，滤波后直接输出时钟信号CLK0I+、CLK0I-。数据信号DATA0I+、DATA0I-分别接在共模电感L1的两端，滤波后经电阻R8输出数据信号DATA0+、DATA0-。差分收发模块II、差分收发模块III的原理与差分收发模块I相同，共模滤波模块II、共模滤波模块III的原理与共模滤波模块I也相同，不再详述。
图6为本发明驱动器接口电路的实施例，驱动器接口为DB9接口。信号DATA1_O+、DATA1_O-、CLK1_O+、CLK1_O-分别通过管脚1、6、2、7传输到驱动器。驱动器提供的电源经滤波后可通过管脚3、8、4、9为信号处理板卡供电，电源的滤波元件包括电容C4、C6，共模电感L3，磁珠B7、B9，电解电容C5等。
图7为本发明第二通道接口电路的实施例，第二通道接口为DB9接口。信号DATA2_O+、DATA2_O-、CLK2_O+、CLK2_O-分别通过管脚1、6、2、7传输到上位机，上位机提供的电源经滤波后可通过管脚3、8、4、9为信号处理板卡供电，电源的滤波元件包括容C25、C27，共模电感L4，磁珠B12、B13，电解电容C26等。
信号处理板卡的电源可由外接电源提供，也可通过驱动器接口由驱动器提供或者通过第二通道接口由上位机提供，但三者只能选则其一，切勿同时供电。当保险丝F1（图6）焊接、保险丝F2（图7）未焊接时，由驱动器为信号处理板卡供电；当保险丝F2焊接、保险丝F1未焊接时，由上位机为信号处理板卡供电；当保险丝F1、F2均未焊接时，由外接电源为信号处理板卡供电。
Claims (2)
1.一种绝对光栅信号处理方法，所述绝对光栅信号包括DATA0I+、DATA0I-、CLK0I+和CLK0I-，其中，DATA0I+和DATA0I-为数据信号，CLK0I+和CLK0I-为时钟信号，其特征在于：所述绝对光栅信号采用如下信号处理板卡进行处理：该信号处理板卡包括可编程逻辑器件、差分收发模块和共模滤波模块；
所述可编程逻辑器件分为顶层模块及时钟发生子模块、数据接收子模块、数据发送子模块I、数据发送子模块II和使能子模块；其中，顶层模块用于设置数据接收模块的配置信息和实例化各子模块；时钟发生子模块用于将可编程逻辑器件的系统时钟分频以产生所需的同步时钟；使能子模块用于使能数据接收子模块和数据发送子模块I、数据发送子模块II；数据接收子模块用于接收绝对光栅的数据信号，将绝对光栅串行的数据信号转换为并行的数据信号，并通过分时复用将一路并行的数据信号分成完全相同的两路并行的数据信号，分别输出给数据发送子模块I和数据发送子模块II；数据发送子模块I和数据发送子模块II用于将接收的并行的数据信号转换为串行的数据信号，附加时钟信号发送出去；
所述差分收发模块用于实现可编程逻辑器件与绝对光栅、驱动器或上位机的信号传输；所述共模滤波模块用于实现信号的共模滤波；
所述信号处理方法包括以下步骤：
1）可编程逻辑器件提供的同步时钟信号CLK0_O经差分收发模块I转变成时钟信号CLK0+、CLK0-，再经共模滤波模块I共模滤波后转变成时钟信号CLK0I+、CLK0I-传输给绝对光栅；绝对光栅在时钟信号CLK0I+、CLK0I-激励下将数据信号DATA0I+、DATA0I-通过绝对光栅接口传输到信号处理板卡，经共模滤波模块I共模滤波后转变成数据信号DATA0+、DATA0-，再经差分收发模块I转变成数据信号DATA0_I、DATA0_O传输给可编程逻辑器件；
2）所述可编程逻辑器件采用硬件编程语言，对数据信号DATA0_I、DATA0_O处理后，输出完全相同的两路绝对光栅信号，即第一输出信号DATA1_I、DATA1_O、CLK1_O和第二输出信号DATA2_I、DATA2_O、CLK2_O；第一输出信号的数据信号DATA1_I、DATA1_O或第二输出信号的数据信号DATA2_I、DATA2_O与数据信号DATA0_I、DATA0_O也相同；
3）第一输出信号DATA1_I、DATA1_O、CLK1_O经差分收发模块II转变成信号DATA1+、DATA1-、CLK1+、CLK1-，再经共模滤波模块II共模滤波后转变成信号DATA1O+、DATA1O-、CLK1O+、CLK1O-，通过驱动器接口传输给驱动器；第二输出信号DATA2_I、DATA2_O、CLK2_O经差分收发模块III转变成DATA2+、DATA2-、CLK2+、CLK2-，再经共模滤波模块III共模滤波后转变成信号DATA2O+、DATA2O-、CLK2O+、CLK2O-，通过第二通道接口传输给上位机。
2.根据权利要求1所述的一种绝对光栅信号处理方法，其特征在于，所述的可编程逻辑器件的输入还包括拨码开关，用于预设绝对光栅信号的字长；所述的可编程逻辑器件的输出还包括指示信号，指示信号由LED灯组成，用于确认实际绝对光栅字长是否与预设值一致。
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