CN104236600A - 自我调整比较电压的绝对式光电编码器 - Google Patents
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Abstract
自我调整比较电压的绝对式光电编码器，属于光电轴角测量技术领域。为了解决目前译码电路存在的跳码且电路结构复杂的问题。本发明的粗码译码电路的比较电压不再由固定电压源提供，而是由DAC模块根据光电码盘所处比较电压-读数头-温度-角度区间数据表输出。在光电码盘制作时，与不同温度和角度区间下分别测定8个读数头的实际比较电压，制成比较电压-读数头-温度-角度区间数据表，供工作时查询使用。采样放大差分电路采用功率更大、精度更高、温漂更小的电阻直接采样到合适电压范围来取代先采样再放大的模式。本发明用于星载激光通信高精度测量领域。
Description
技术领域
本发明属于光电轴角测量技术领域。
背景技术
星地间、星星间激光通信是近几年发展起来的高新技术，随着海洋2号卫星的投入应用，我国已进入空间激光通信的先进行列。绝对式光电轴角编码器作为一种典型的角位置、角速度传感器，以其高精度、高可靠性、易于加工制造的特点在精密制造、精密测量、航空航天等领域有着广泛的应用。
对于高精度的光电轴角编码器，综合考虑精度和成本等因素，一般采用粗码、精码或者粗码、中精码、精码相结合的读数方式。其中，为了保证可靠性和高精度，粗码部分一般采用矩阵码编码方式，且一般采用电压比较器进行模数转换；中精码、细码采样译码方式类似，均是采用四路相位彼此相差90°的正弦信号，通过差分放大得到两路用于软件细分的细分信号，然后根据信号的幅相关系求得精码码值。
已有的光电编码器粗码译码电路，其组成结构如图1所示，由光电码盘、精码及中精码译码模块、粗码译码模块、固定参考电压和DSP处理器五部分组成，其电压比较器的基准比较电压常采用固定电压源供电的模式，当环境温度改变时，采样电阻阻值、光电编码器读数头的输出电流均会发生变化，从而引起采样电压的变化，这就造成了码盘同一物理位置下对应不同采样电压的现象，更严重的是梯形波的峰值也发生了变化，从而使原来的比较电压不再合适，粗码采样信号经电压比较器后输出的矩形波不再是占空比为50％的方波，以至于译码后出现跳码问题。这对后续光通信粗瞄跟踪系统的控制造成了不利的影响。
已有的光电编码器中精码、精码采样差分放大电路如图2所示，其输入的两路待差分信号均采用先电阻采样，再利用运放放大，继而差分放大的方法，在星载激光通信工程实践中，发现这样采用了过多的运放芯片，从而增加了解码板的尺寸和重量，增加了系统复杂性，不能充分保证系统可靠性。
为解决上述问题，本发明提出了一种基准比较电压查表自调整方法以及精码采样差分放大的简化电路。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前译码电路存在的跳码且电路结构复杂的问题，本发明提供一种自我调整比较电压的绝对式光电编码器。
本发明的自我调整比较电压的绝对式光电编码器，所述编码器包括光电码盘1、粗码译码模块2、精码及中精码译码模块3、DSP处理器4、八个温度传感器5和DAC模块6；
八个温度传感器5以光电码盘1的中心对称安装在光电码盘1上，
光电码盘1的电流信号输出端同时与粗码译码模块2的电流信号输入端和精码及中精码译码模块3电流信号输入端连接；
粗码译码模块2的粗码译码信号输出端与DSP处理器4的粗码译码信号输入端连接，精码及中精码译码模块3的精码译码信号输出端与DSP处理器4的精码译码信号输入端连接，精码及中精码译码模块3的中精码译码信号输出端与DSP处理器4的中精码译码信号输入端连接，八个温度传感器5的温度检测信号输出端均与DSP处理器4的温度检测信号输入端连接，DSP处理器4根据相应温度传感器5采集的温度，结合比较电压-读数头-温度-角度区间数据表输出比较电压数字信号给DAC模块6，DAC模块6的比较电压模拟信号输出端与粗码译码模块2的比较电压模拟信号输出端连接；
所述比较电压-读数头-温度-角度区间数据表的获取过程为：
从-40℃到140℃分成每间隔10℃的温度段，测量每个温度段的温度与光电流数据，并拟合成温度与光电流的特性曲线；
采用4个主读数头和4个备读数头相互穿插将光电码盘1的圆周等分了8个角度区间，分为0°～45°、45°～90°、90°～135°、135°～180°、180°～225°、225°～270°、270°～315°和315°～360°，且每个角度区间对应一个温度传感器5；
根据获得的温度与光电流的特性曲线和8个角度区间分别多次测量8个读数头的实际比较电压，取各读数头测量电压的平均值作为最终的比较电压，最终获得比较电压-读数头-温度-角度区间数据表。
所述精码及中精码译码模块3包括多个采样放大差分电路、调零调幅电路和AD转换电路；
光电码盘1输出电流信号中的两路信号输入至一个采样放大差分电路，
每个采样放大差分电路输出的一路信号输入至调零调幅电路，
调零调幅电路输出的每路调零调幅信号输入至AD转换电路，
AD转换电路输出多路信号作为精码译码信号和中精码译码信号的组合。
所述采样放大差分电路包括电阻R1-R11、第一运算放大器NIA、第二运算放大器NIB和供电电源；
光电码盘1输出电流信号中的两路信号中的一路同时输入至电阻R2的一端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端与电阻R3的一端同时接供电电源的GND端，电阻R3的另一端与电阻R4的一端同时接第二运算放大器NIB的反向信号输入端，
电阻R2的另一端与第二运算放大器NIB的正向信号输入端连接，第二运算放大器NIB的信号输出端同时与电阻R4的另一端和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端和电阻R8的一端同时接第一运算放大器NIA的反向输入端，
光电码盘1输出电流信号中的两路信号中的另一路同时输入至电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时与电阻R10的一端和第一运算放大器NIA的正向信号输入端连接，电阻R10的另一端同时与电阻R7的一端和电阻R11的一端连接，电阻R7的另一端和电阻R11的另一端同时接供电电源的GND端，
第一运算放大器NIA的信号输出端同时与电阻R8的另一端和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端输入至调零调幅电路；
第一运算放大器NIA的正向电源供电端接供电电源的正极，第一运算放大器NIA的负向电源供电端接供电电源的负极。
所述编码器还包括外扩Flash存储器7，所述外扩Flash存储器7用于存储比较电压-读数头-温度-角度区间数据表，供DSP处理器4调用。
所述DSP处理器4的工作过程包括如下步骤：
分别接收当前温度、当前粗码、当前中精码和当前精码的步骤；
采用当前精码校正当前中精码，并合成细码的步骤；
利用合成的细码校正当前粗码，合成22位码盘值，并输出22位码盘值的步骤；
根据合成的22位码盘值，获取当前的角度区间的步骤；
根据读取的当前温度和当前角度区间，查比较电压-读数头-温度-角度区间数据表的步骤；
当根据比较电压-读数头-温度-角度区间数据表，成功获取比较电压，根据获得的比较电压，向DAC模块6输出比较电压数字信号的步骤；
当根据比较电压-读数头-温度-角度区间数据表，不能成功获取比较电压，则DSP处理器4重新开始工作的步骤。
本发明的有益效果在于，本发明在原有电路结构的基础上加入温度传感器5，光电编码器粗码译码部分比较电压不再由固定电压源提供，而是由DAC模块6根据码盘所处的温度段、角度区间和具体读数头查表输出，在译码时不会出现跳码的问题；采样放大差分电路采用功率更大、精度更高、温漂更小的电阻直接采样到合适电压范围来取代先采样再放大的模式，简化了电路。
附图说明
图1为现有光电编码器的原理示意图。
图2为现有的采样放大差分电路的原理示意图。
图3为本发明的光电编码器的原理示意图。
图4为本发明的光电码盘1的读数头的分布原理示意图。
图5为本发明的精码及中精码译码模块3原理示意图。
图6为本发明的采样放大差分电路的原理示意图。
图7为本发明自我调整比较电压后，粗码译码模块2输入的粗码信号、输入的比较电压和输出的译码信号的波形示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述的自我调整比较电压的绝对式光电编码器，所述编码器包括光电码盘1、粗码译码模块2、精码及中精码译码模块3、DSP处理器4、八个温度传感器5和DAC模块6；
八个温度传感器5以光电码盘1的中心对称安装在光电码盘1上，
光电码盘1的电流信号输出端同时与粗码译码模块2的电流信号输入端和精码及中精码译码模块3电流信号输入端连接；
粗码译码模块2的粗码译码信号输出端与DSP处理器4的粗码译码信号输入端连接，精码及中精码译码模块3的精码译码信号输出端与DSP处理器4的精码译码信号输入端连接，精码及中精码译码模块3的中精码译码信号输出端与DSP处理器4的中精码译码信号输入端连接，八个温度传感器5的温度检测信号输出端均与DSP处理器4的温度检测信号输入端连接，DSP处理器4根据相应温度传感器5采集的温度，结合比较电压-读数头-温度-角度区间数据表输出比较电压数字信号给DAC模块6，DAC模块6的比较电压模拟信号输出端与粗码译码模块2的比较电压模拟信号输出端连接；
所述比较电压-读数头-温度-角度区间数据表的获取过程为：
从-40℃到140℃分成每间隔10℃的温度段，测量每个温度段的温度与光电流数据，并拟合成温度与光电流的特性曲线；
采用4个主读数头和4个备读数头相互穿插将光电码盘1的圆周等分了8个角度区间，分为0°～45°、45°～90°、90°～135°、135°～180°、180°～225°、225°～270°、270°～315°和315°～360°，且每个角度区间对应一个温度传感器5；
根据获得的温度与光电流的特性曲线和8个角度区间分别多次测量8个读数头的实际比较电压，取各读数头测量电压的平均值作为最终的比较电压，最终获得比较电压-读数头-温度-角度区间数据表。
在不同温度下，光电码盘1输出的光电流及采样电阻阻值都会发生变化，译码电路板中的芯片在空间的工作温度范围为-40～140℃，虽然有热控系统保证温度在合适的范围，但考虑到极端情况，热控损坏或性能降低，在这种条件下必须保证译码电路可以正常工作，而且可以得到正确的码值。本实施方式将对光电码盘1进行-40～140℃温度范围内的测试。测试方法：每间隔10℃做码盘温度实验，记录温度与光敏管输出的光电流，并将数据进行拟合，得出温度与光电流的特性曲线。
由于码盘制作时，由于材料和加工工艺的缘故，不可能做到全周绝对的一致，并考虑到光电编码器读数头分布情况，如图4所示，主备读数头共将码盘圆周等分了8个角度区间。
光电码盘1投入使用前，根据温度与光电流的特性曲线和角度区间下分别多次测定8个读数头对应的实际比较电压，并取相应平均值制作比较电压-读数头-温度-角度区间数据表。
本实施方式选用了3片4通道的DA转换器DAC8412作为DAC模块6，每个通道均具有独立的锁存功能，有效保证了在DSP处理器4处理其他任务时，输出比较电压稳定连续。
光电码盘1工作时实时监测所处环境温度，并上报给DSP处理器4，DSP根据当前环境温度和码盘所处角度位置，查表获得DAC应该输出的比较电压值，将其送给DA转换器以输出合适的比较电压，从而保证采样信号经过电压比较器后为占空比为50％的矩形波。
本实施方式中，光电码盘1在环境温度为-40℃～140℃的条件下进行测试。图7给出了在采样的粗码信号在梯形电压变化的情况下，比较电压自调整和输出的译码信号的波形。
具体实施方式二：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的自我调整比较电压的绝对式光电编码器的进一步限定，所述精码及中精码译码模块3包括多个采样放大差分电路、调零调幅电路和AD转换电路；
光电码盘1输出电流信号中的两路信号输入至一个采样放大差分电路，
每个采样放大差分电路输出的一路信号输入至调零调幅电路，
调零调幅电路输出的每路调零调幅信号输入至AD转换电路，
AD转换电路输出多路信号作为精码译码信号和中精码译码信号的组合。
具体实施方式三：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的自我调整比较电压的绝对式光电编码器的进一步限定，所述采样放大差分电路包括电阻R1-R11、第一运算放大器NIA、第二运算放大器NIB和供电电源；
光电码盘1输出电流信号中的两路信号中的一路同时输入至电阻R2的一端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端与电阻R3的一端同时接供电电源的GND端，电阻R3的另一端与电阻R4的一端同时接第二运算放大器NIB的反向信号输入端，
电阻R2的另一端与第二运算放大器NIB的正向信号输入端连接，第二运算放大器NIB的信号输出端同时与电阻R4的另一端和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端和电阻R8的一端同时接第一运算放大器NIA的反向输入端，
光电码盘1输出电流信号中的两路信号中的另一路同时输入至电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时与电阻R10的一端和第一运算放大器NIA的正向信号输入端连接，电阻R10的另一端同时与电阻R7的一端和电阻R11的一端连接，电阻R7的另一端和电阻R11的另一端同时接供电电源的GND端，
第一运算放大器NIA的信号输出端同时与电阻R8的另一端和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端输入至调零调幅电路；
第一运算放大器NIA的正向电源供电端接供电电源的正极，第一运算放大器NIA的负向电源供电端接供电电源的负极。
本实施方式中，采样放大差分电路采用功率更大、精度更高、温漂更小的电阻直接采样到合适电压范围来取代先采样再放大的模式，减小了解码板的尺寸和重量，降低了系统复杂性，保证系统可靠性。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的自我调整比较电压的绝对式光电编码器的进一步限定，
所述编码器还包括外扩Flash存储器7，所述外扩Flash存储器7用于存储比较电压-读数头-温度-角度区间数据表，供DSP处理器4调用。
由于DSP处理器4自带存储空间有限，所以设置了外扩Flash存储器7，用以存放制作好的比较电压-读数头-温度段-角度区间数据表。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的自我调整比较电压的绝对式光电编码器的进一步限定，所述DSP处理器4的工作过程包括如下步骤：
分别接收当前温度、当前粗码、当前中精码和当前精码的步骤；
采用当前精码校正当前中精码，并合成细码的步骤；
利用合成的细码校正当前粗码，合成22位码盘值，并输出22位码盘值的步骤；
根据合成的22位码盘值，获取当前的角度区间的步骤；
根据读取的当前温度和当前角度区间，查比较电压-读数头-温度-角度区间数据表的步骤；
当根据比较电压-读数头-温度-角度区间数据表，成功获取比较电压，根据获得的比较电压，向DAC模块6输出比较电压数字信号的步骤；
当根据比较电压-读数头-温度-角度区间数据表，不能成功获取比较电压，则DSP处理器4重新开始工作的步骤。
Claims (5)
1.自我调整比较电压的绝对式光电编码器，其特征在于，所述编码器包括光电码盘(1)、粗码译码模块(2)、精码及中精码译码模块(3)、DSP处理器(4)、八个温度传感器(5)和DAC模块(6)；
八个温度传感器(5)以光电码盘(1)的中心对称安装在光电码盘(1)上，
光电码盘(1)的电流信号输出端同时与粗码译码模块(2)的电流信号输入端和精码及中精码译码模块(3)电流信号输入端连接；
粗码译码模块(2)的粗码译码信号输出端与DSP处理器(4)的粗码译码信号输入端连接，精码及中精码译码模块(3)的精码译码信号输出端与DSP处理器(4)的精码译码信号输入端连接，精码及中精码译码模块(3)的中精码译码信号输出端与DSP处理器(4)的中精码译码信号输入端连接，八个温度传感器(5)的温度检测信号输出端均与DSP处理器(4)的温度检测信号输入端连接，DSP处理器(4)根据相应温度传感器(5)采集的温度，结合比较电压-读数头-温度-角度区间数据表输出比较电压数字信号给DAC模块(6)，DAC模块(6)的比较电压模拟信号输出端与粗码译码模块(2)的比较电压模拟信号输出端连接；
所述比较电压-读数头-温度-角度区间数据表的获取过程为：
从-40℃到140℃分成每间隔10℃的温度段，测量每个温度段的温度与光电流数据，并拟合成温度与光电流的特性曲线；
采用4个主读数头和4个备读数头相互穿插将光电码盘(1)的圆周等分了8个角度区间，分为0°～45°、45°～90°、90°～135°、135°～180°、180°～225°、225°～270°、270°～315°和315°～360°，且每个角度区间对应一个温度传感器(5)；
根据获得的温度与光电流的特性曲线和8个角度区间分别多次测量8个读数头的实际比较电压，取各读数头测量电压的平均值作为最终的比较电压，最终获得比较电压-读数头-温度-角度区间数据表。
2.根据权利要求1所述的自我调整比较电压的绝对式光电编码器，其特征在于，所述精码及中精码译码模块(3)包括多个采样放大差分电路、调零调幅电路和AD转换电路；
光电码盘(1)输出电流信号中的两路信号输入至一个采样放大差分电路，
每个采样放大差分电路输出的一路信号输入至调零调幅电路，
调零调幅电路输出的每路调零调幅信号输入至AD转换电路，
AD转换电路输出多路信号作为精码译码信号和中精码译码信号的组合。
3.根据权利要求2所述的自我调整比较电压的绝对式光电编码器，其特征在于，所述采样放大差分电路包括电阻R1-R11、第一运算放大器NIA、第二运算放大器NIB和供电电源；
光电码盘(1)输出电流信号中的两路信号中的一路同时输入至电阻R2的一端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端与电阻R3的一端同时接供电电源的GND端，电阻R3的另一端与电阻R4的一端同时接第二运算放大器NIB的反向信号输入端，
电阻R2的另一端与第二运算放大器NIB的正向信号输入端连接，第二运算放大器NIB的信号输出端同时与电阻R4的另一端和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端和电阻R8的一端同时接第一运算放大器NIA的反向输入端，
光电码盘(1)输出电流信号中的两路信号中的另一路同时输入至电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时与电阻R10的一端和第一运算放大器NIA的正向信号输入端连接，电阻R10的另一端同时与电阻R7的一端和电阻R11的一端连接，电阻R7的另一端和电阻R11的另一端同时接供电电源的GND端，
第一运算放大器NIA的信号输出端同时与电阻R8的另一端和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端输入至调零调幅电路；
第一运算放大器NIA的正向电源供电端接供电电源的正极，第一运算放大器NIA的负向电源供电端接供电电源的负极。
4.根据权利要求2所述的自我调整比较电压的绝对式光电编码器，其特征在于，所述编码器还包括外扩Flash存储器(7)，所述外扩Flash存储器(7)用于存储比较电压-读数头-温度-角度区间数据表，供DSP处理器(4)调用。
5.根据权利要求1所述的自我调整比较电压的绝对式光电编码器，其特征在于，所述DSP处理器(4)的工作过程包括如下步骤：
分别接收当前温度、当前粗码、当前中精码和当前精码的步骤；
采用当前精码校正当前中精码，并合成细码的步骤；
利用合成的细码校正当前粗码，合成22位码盘值，并输出22位码盘值的步骤；
根据合成的22位码盘值，获取当前的角度区间的步骤；
根据读取的当前温度和当前角度区间，查比较电压-读数头-温度-角度区间数据表的步骤；
当根据比较电压-读数头-温度-角度区间数据表，成功获取比较电压，根据获得的比较电压，向DAC模块(6)输出比较电压数字信号的步骤；
当根据比较电压-读数头-温度-角度区间数据表，不能成功获取比较电压，则DSP处理器(4)重新开始工作的步骤。
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