CN104111347B - 一种光栅编码器低速精度检测装置 - Google Patents

Abstract

一种光栅编码器低速精度检测装置，包括壳体、编码器信号细分模块，DSP构成的数据处理电路模块、数据交互通信接口。设备利用外部晶振作为时钟源，DSP作为数据采集及处理单元，外围电路包括编码器信号细分电路、串口通讯电路以及显示模块。装置可以通过读取安装在旋转轴上的光栅编码器信号，以定时测角或者定角测时的方式测量速率精度。本检测装置采用了嵌入式的DSP作为数据处理单元，与传统的采用PCI数据采集卡借助工控机软件实现速率检测的方式相比，很大程度上减小了设备的体积；装置使用了细分电路模块，使用者可以根据实际需要调整信号的细分倍数，提高检测精度；DSP较强的数据处理能力，保证了测试装置的高效及稳定性。

Description

一种光栅编码器低速精度检测装置

技术领域

本发明涉及一种速率转台低速率精度检测的装置，适用于转台的低速率精度检测，也可以用作其他使用光栅编码器作为传感器的运动设备的低速率精度检测。

背景技术

转台是惯性产品研发、测试、出厂评定及标定的主要设备，转台的位置及速率精度是影响标定的主要因素，尤其对于速率转台，其速率特性非常重要，需要在转台设备出厂前完成技术指标的检测。对于转速较高的情况(ω≥10°/s)通常利用计数器检测，而对于低速(ω＜10°/s)的情况，只能借助其他检测方式。转台的角度传感器的精度要求很高，目前常用的以光栅编码器为主。传统的低速检测装置一般是使用光栅编码器生产厂家提供的编码器信号采集卡，通常为PCI接口，以工业控制计算机为平台，通过工控机上软件实现数据采集及处理，这就使得低速检测必须配套一台工业控制计算机，使得检测装置体积庞大，使用不方便。尤其是在转台交付到使用现场的检测及定期的标检，不易携带的设备就给生产任务带来极大不便利。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光栅编码器低速精度检测的装置，利用了嵌入式DSP，集成度高、数据运算能力强、实时性好，且装置体积小，便于携带，检测精度高，使用方便。

本发明的技术解决方案是：提供了一种光栅编码器低速精度检测装置，包括壳体、数据处理单元模块、屏蔽隔离层、细分电路模块、显示器、按键、固定螺栓、光栅编码器信号接口、串口通讯接口和细分倍数调整开关；

显示器和按键嵌装在壳体的上端面上，显示器的屏幕朝上，按键的键盘方向朝上；

光栅编码器信号接口、串口通讯接口和细分倍数调整开关嵌装在壳体的侧壁上；

数据处理单元模块、屏蔽隔离层和细分电路模块均位于壳体内部，且自上而下安装，两个固定螺栓自上而下穿过数据处理单元模块、屏蔽隔离层和细分电路模块并与壳体内壁底部固定连接，使得数据处理单元模块、屏蔽隔离层和细分电路模块与壳体的相对位置固定，数据处理单元模块、屏蔽隔离层和细分电路模块之间相互不接触；

细分电路模块通过电缆与光栅编码器信号接口连接，实现光栅编码器信号采集，细分电路模块同时通过电缆与细分倍数调整开关连接，实现光栅编码器信号细分倍数的调整；

数据处理单元模块通过电缆与细分电路模块连接，接收细分倍数调整后的光栅编码器信号；数据处理单元模块同时通过电缆与串口通讯接口、显示器和按键连接，

数据处理单元模块接收来自按键的指令信号或者通过串口通讯接口输入的指令信号，对细分倍数调整后的光栅编码器信号进行处理，得到光栅编码器的速率精度，同时通过电缆将处理结果传输给显示器显示或者通过串口通讯接口上传给外部计算机显示。

所述的数据处理单元模块采用嵌入式DSP实现数据处理功能。

所述细分倍数调整开关的型号为SWDP-4，有四个拨动开关，当细分倍数调整开关处于不同的档位时，细分电路模块实现不同细分倍数的调整，组合档位与细分倍数得关系如下表所示：

所述壳体的长度为20cm，宽度为15cm，高度为10cm。

所述壳体内壁附着一层铜网，与屏蔽隔离层配合，确保装置在不受外部电磁干扰的条件下完成高频数据的采集及处理。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明装置利用嵌入式处理器实现了光栅编码器的速率精度检测，采用支持浮点运算的DSP模块，数据处理实时性好，可靠性高，检测精度达到1×10^-6；

(2)本发明使用的编码器信号细分模块，设置了细分倍数调整开关，可以实现不同细分倍数的设置，使用时可以根据实际情况调节细分倍数，提高了检测的精度；

(3)本发明使用了高集成度的芯片，利用了嵌入式处理器的外设扩展功能，使得检测装置可以封装在一个壳体内，壳体长度为20cm，宽度为15cm，高度为10cm，装置体积小，易携带，解决了传统依靠工业控制计算机的检测装置使用繁琐、不易搬运的问题。

(4)本发明将细分电路模块和数据处理电路模块分开安装，并且在中间加入屏蔽隔离层，避免高频信号互相干扰；在壳体内壁设置屏蔽网，避免外界强电磁的干扰。

(5)本发明设置了显示屏和按键作为DSP的外设，形成了装置独立的人及交互方式，能够不依赖其他计算机完成检测。

附图说明

图1为本发明的外观图；

图2为本发明的结构图；

图3为本发明细分倍数调整开关结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明是一种可用于光栅编码器低速转动精度检测的装置，可用在转台低速精度检测，也可以用于其他可安装光栅编码器的转动轴或者直线运动机构的低速精度检测。如图1所示为本发明装置的外观结构图，整个装置封装在壳体内，显示屏、键盘及接口镶嵌在壳体上，装置便于携带，壳体长度为20cm，宽度为15cm，高度为10cm。

图2所示为本发明装置的结构图，由图2可知，本发明提供的一种光栅编码器低速精度检测装置，其特征在于：包括壳体1、数据处理单元模块2、屏蔽隔离层3、细分电路模块4、显示器5、按键6、固定螺栓7、光栅编码器信号接口8、串口通讯接口9和细分倍数调整开关10；

显示器5和按键6嵌装在壳体1的上端面上，显示器5的屏幕朝上，按键6的键盘方向朝上；

光栅编码器信号接口8、串口通讯接口9和细分倍数调整开关10嵌装在壳体1的侧壁上；

数据处理单元模块2、屏蔽隔离层3和细分电路模块4均位于壳体1内部，且自上而下安装，两个固定螺栓7自上而下穿过数据处理单元模块2、屏蔽隔离层3和细分电路模块4并与壳体1内壁底部固定连接，使得数据处理单元模块2、屏蔽隔离层3和细分电路模块4与壳体1的相对位置固定，数据处理单元模块2、屏蔽隔离层3和细分电路模块4之间相互不接触；

壳体1内壁附着一层铜网，与屏蔽隔离层3配合，确保装置在不受外部电磁干扰的条件下完成高频数据的采集及处理；

所述的数据处理单元模块2采用嵌入式DSP，DSP为TI的TMS320F28335系列，可支持浮点运算。

细分电路模块4通过电缆与光栅编码器信号接口8连接，实现光栅编码器信号采集，细分电路模块4同时通过电缆与细分倍数调整开关10连接，实现光栅编码器信号细分倍数的调整；所述的光栅编码器可以是绝对是编码器，也可以是增量式编码器，测试装置中只采用其中的增量信号。

数据处理单元模块2通过电缆与细分电路模块4连接，接收细分倍数调整后的光栅编码器信号；数据处理单元模块2同时通过电缆与串口通讯接口9、显示器5和按键6连接，数据处理单元模块2接受来自按键6的指令信号或者通过串口通讯接口9输入的指令信号，对细分倍数调整后的光栅编码器信号进行处理，得到光栅编码器的精度，同时通过电缆将处理结果传输给显示器5显示或者通过串口通讯接口9上传给外部计算机显示。

数据处理模块对采集的光栅编码器信号处理是与检测方法对应，对转动机构的圆光栅来说就分为定时测角和定角测时两种方式。定时测角中数据处理方式是以DSP定时器为时间基准，固定的时间锁存计数值，相邻两次计数值的差值与定时时间的商为速率值；定角测时中数据处理以计数值为基准，计数到固定值后锁存定时器的时间，计数值与两次锁存时间差的商为速率值。

图3所示为细分倍数调整开关10的结构图，细分倍数调整开关10的型号为SWDP-4，有四个拨动开关，不同的组合档位设置不同的细分倍数，具体定义如下表1所示：

表1

本发明具体的工作原理：

光栅编码器输出的增量信号为两路相互正交的1Vpp的正弦信号，细分电路模块中的细分芯片可以将正交的两路正弦信号进行相应倍数的细分，输出为两路正交的TTL方波数字信号，数据采集模块通过判断两路正交的数字信号的上升沿进行计数，得到的计数值相当于将两路方波信号进行了四倍频，每一个计数脉冲代表相应的位置变化量。

本发明装置通过读取安装在转动轴上的光栅编码器的增量信号，由细分电路模块细分处理后，得到正交的脉冲编码信号，由数据处理模块进行四倍频后计数，脉冲计数值与光栅编码器实际转动过的位置对应，转台的转动轴使用的圆光栅每个计数脉冲对应固定的转动角度，直线光栅则是每个计数脉冲对应直线距离。DSP处理单元根据采集的位置信号值及定时时间计算得到速率值，将计算的速率量与理论值比较，得到速率精度。DSP处理单元的时间基准由外部的晶振提供，由DSP内部定时器提供定时时间间隔。数据处理模块将计算的原始速率数据通过显示屏显示或者通过串口通讯上传给其他计算机。

本发明具体实施例：

将光栅编码器信号线连接至装置的光栅编码器信号接口8(绝对式编码器只需要对应连接增量信号和电源即可)，可以根据实际情况手动调节细分倍数调整开关10选择细分倍数，将串口通讯接口9和上位机连接。

所述的串口通讯接口9为RS-232串口通讯，与显示屏连接的串口设置为：波特率：9600，数据位：8，停止位：1，奇偶校验：无，流控制：无；与其他计算机通讯的RS-232串口设置为：波特率：可设置(默认115200)，数据位：8，停止位：1，奇偶校验：无，流控制：无。

连接+5VDC电源，装置通电后即自动启动进入检测准备状态，此时可以通过按键输入或者发送串口命令，设置测试定时时间间隔、测试组数，再设置光栅编码器信号细分后一圈的脉冲数，输入启动测试指令，系统会根据设置的参数进行检测，并且将测试结果显示和串口输出。检测开始前确保被测设备已经按照所要检测的速率稳定运转。

按键或串行通讯的命令包括：设置检测方式、设置检测定时时间或者定角角度、设置编码器细分后的线数、启动测试、停止测试。

DSP晶振使用外部30MHZ的有源晶振，经过DSP的倍频电路，实现DSP系统的150MHZ系统时钟频率，可以很好的确保系统的实时性。经过检测，设备的检测精度1×10^-6。

本检测装置使用时需要注意一下事项：(1)在连接好所有需要的电缆后，确保接口固定完好，确认细分倍数设置后才能给装置上电，避免任何形式的带电硬件操作；(2)使用时应该注意编码器信号的接口定义，接口上有给编码器供电的电源，一定要和连接的光栅编码器的定义对应，防止损坏光栅编码器；(3)设置细分倍数时，设置的细分倍数确保细分后的线数不小于被测转动机构自身控制系统所使用的线数，确保检测结果的准确性。(4)装置上电后，按照设置检测速率→设置编码器细分倍数→设置定时时间→启动的顺序执行；(5)确保在启动检测装置前，转动轴已经以被测速率稳定运行。

以上所述为利用本发明装置检测转台的转动轴的速率精度，对于使用光栅编码器的其他运动机构(如直线运动)，均可以使用此装置测试器速率精度，区别在于将编码器的线数设置就变为直线距离为单位的线数，专业技术人员可以按照需要设置。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种光栅编码器低速精度检测装置，其特征在于包括：壳体(1)、数据处理单元模块(2)、屏蔽隔离层(3)、细分电路模块(4)、显示器(5)、按键(6)、固定螺栓(7)、光栅编码器信号接口(8)、串口通讯接口(9)和细分倍数调整开关(10)；

显示器(5)和按键(6)嵌装在壳体(1)的上端面上，显示器(5)的屏幕朝上，按键(6)的键盘方向朝上；

光栅编码器信号接口(8)、串口通讯接口(9)和细分倍数调整开关(10)嵌装在壳体(1)的侧壁上；

数据处理单元模块(2)、屏蔽隔离层(3)和细分电路模块(4)均位于壳体(1)内部，且自上而下安装，两个固定螺栓(7)自上而下穿过数据处理单元模块(2)、屏蔽隔离层(3)和细分电路模块(4)并与壳体(1)内壁底部固定连接，使得数据处理单元模块(2)、屏蔽隔离层(3)和细分电路模块(4)与壳体(1)的相对位置固定，数据处理单元模块(2)、屏蔽隔离层(3)和细分电路模块(4)之间相互不接触；

细分电路模块(4)通过电缆与光栅编码器信号接口(8)连接，实现光栅编码器信号采集，细分电路模块(4)同时通过电缆与细分倍数调整开关(10)连接，实现光栅编码器信号细分倍数的调整；

数据处理单元模块(2)通过电缆与细分电路模块(4)连接，接收细分倍数调整后的光栅编码器信号；数据处理单元模块(2)同时通过电缆与串口通讯接口(9)、显示器(5)和按键(6)连接，

数据处理单元模块(2)接收来自按键(6)的指令信号或者通过串口通讯接口(9)输入的指令信号，对细分倍数调整后的光栅编码器信号进行处理，得到光栅编码器的速率精度，同时通过电缆将处理结果传输给显示器(5)显示或者通过串口通讯接口(9)上传给外部计算机显示。

2.根据权利要求1所述的一种光栅编码器低速精度检测装置，其特征在 于：所述的数据处理单元模块(2)采用嵌入式DSP实现数据处理功能。

3.根据权利要求1所述的一种光栅编码器低速精度检测装置，其特征在于：所述细分倍数调整开关(10)的型号为SWDP-4，有四个拨动开关，当细分倍数调整开关(10)处于不同的档位时，细分电路模块(4)实现不同细分倍数的调整，组合档位与细分倍数的关系如下表所示：

。

4.根据权利要求1所述的一种光栅编码器低速精度检测装置，其特征在于：所述壳体(1)的长度为20cm，宽度为15cm，高度为10cm。

5.根据权利要求1所述的一种光栅编码器低速精度检测装置，其特征在于：所述壳体(1)内壁附着一层铜网，与屏蔽隔离层(3)配合，确保装置在不受外部电磁干扰的条件下完成高频数据的采集及处理。