CN104482954B

CN104482954B - 一种编码器、外部诊断设备及在线诊断与调整方法

Info

Publication number: CN104482954B
Application number: CN201410852079.0A
Authority: CN
Inventors: 王鹏; 杜超; 林开伟
Original assignee: Shanghai Step Electric Corp
Current assignee: Shanghai Step Electric Corp
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-12-31
Also published as: CN104482954A

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种编码器、外部诊断设备及在线诊断与调整方法。本发明中在线诊断与调整方法包含以下步骤：若编码器的基本状态正常，则外部诊断设备通过编码器上的I2C接口从编码器内置的寄存器中读取编码器的运行参数；其中，运行参数包含编码器的输出信号的幅值、直流偏移和相位；外部诊断设备根据运行参数，确定编码器的运行状态，并根据运行状态对运行参数进行调整，直至运行参数在预设的范围内，否则，判定编码器异常。这样，外部诊断设备可以通过I2C驱动接口对编码器内置的寄存器中的运行参数进行远程在线读取，并对其进行远程在线调整，而无需通过拆除编码器对其进行检修，这样，降低了设计的复杂性，提高了编码器调整的可靠性。

Description

一种编码器、外部诊断设备及在线诊断与调整方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种编码器、外部诊断设备及在线诊断与调整方法。

背景技术

在电梯的调试与运行过程中，编码器扮演了重要角色。但是，由于电梯的运行环境较为恶劣，编码器很容易出现诸如无信号输出、输出信号幅值偏移变化导致的脉冲丢失、输出信号相位变化导致的系统无法正常工作等问题。同时，有时编码器本身无问题，周围环境的变化也会导致系统报编码器错误。

上述情况下，需要对编码器是否损坏以及损坏程度进行评估并根据情况进行调整。目前，市场上的编码器多为固定集成的，当编码器出现问题时，唯一的办法是将编码器拆掉进行相关检测，无法实现在线的诊断并根据诊断结果进行在线调整编码器，这样必然会影响检修效率。

解决上述问题的一个方案是，采用普通信号调理芯片、外围配置电路与通讯电路进行组合。然而，在该方案中，幅值和直流偏移需要增加带通讯接口的数字电位器进行调节，对于相位调整则需要增加额外的相位调整电路。显然，这种方案增加了设计的复杂性，降低了编码器调整的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种编码器、外部诊断设备及在线诊断与调整方法，可以降低设计的复杂性，提高编码器调整的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种在线诊断与调整方法，包含以下步骤：

若编码器的基本状态正常，则外部诊断设备通过所述编码器上的I2C接口从所述编码器内置的寄存器中读取所述编码器的运行参数；其中，所述运行参数包含所述编码器的输出信号的幅值、直流偏移和相位；

所述外部诊断设备根据所述运行参数，确定所述编码器的运行状态，并根据所述运行状态对所述运行参数进行调整，直至所述运行参数在预设的范围内，否则，判定所述编码器异常。

本发明的实施方式还提供了一种编码器，包含：信号调理芯片与I2C驱动模块；

其中，所述信号调理芯片内置有寄存器，并包含与所述I2C驱动模块进行通讯的I2C接口；

所述信号调理芯片内置的寄存器中储存的所述编码器的运行参数通过所述I2C接口被外部诊断设备进行读取与调整；其中，所述运行参数包含所述编码器的输出信号的幅值、直流偏移和相位；

所述I2C驱动模块将所述信号调理芯片通过所述I2C接口输出的信息转化为差分信号，以输出至所述外部诊断设备。

本发明的实施方式还提供了一种外部诊断设备，包含：信息处理与补偿单元以及显示模块；

所述信息处理与补偿单元与所述显示模块相连；

所述信息处理与补偿单元，对从编码器内置的寄存器中读取的运行参数进行诊断并补偿；

所述显示模块，显示诊断状态。

本发明实施方式相对于现有技术而言，由于编码器包含I2C接口，外部诊断设备可以通过该I2C接口对编码器内置的寄存器中的运行参数进行在线读取，并根据读取的运行参数对其进行在线调整，这样，不但无需通过拆除编码器对其进行检修，减少检修时对编码器的拆卸次数，提高编码器的使用寿命与检修效率，而且，降低了设计的复杂性，提高了编码器调整的可靠性。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的编码器结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式中的I2C驱动模块结构示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的外部诊断设备的结构示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的在线诊断与调整方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种编码器，具体如图1所示，包含：光电芯片(IC)、信号调理芯片、I2C驱动模块与存储器。

其中，信号调理芯片内置有寄存器，并包含与I2C驱动模块进行通讯的通讯接口，光电IC与信号调理芯片相连。在本实施方式中，该通讯接口为I2C接口。

光电IC，用于将接收的光信号转化为电压信号，并输出至信号调理芯片。其中，电压信号为光电池原始电压信号。具体地说，光电IC接收经光栅调理后的光信号后，将其转化为电信号并进行初步的电流转电压处理，输出光电池原始电压信号。

在系统上电时，信号调理芯片，通过I2C接口读取存储器中配置有的输出信号的幅值、直流偏移和相位等运行参数。在本实施方式中，存储器为带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。当然，存储器也可以采用其他常规的存储器。

信号调理芯片内置的寄存器中储存的编码器的运行参数通过I2C接口可被外部诊断设备进行在线读取与调整；其中，运行参数包含编码器的输出信号的幅值、直流偏移和相位；其中，外部诊断设备可以为手持设备或者电梯控制器。

进一步地，信号调理芯片，还可以将编码器的输出信号的幅值过大与过小、信号有无丢失、信号有无削峰以及有无温度保护的信息存储到寄存器与存储器。外部诊断设备通过I2C接口可以在线读取寄存器与存储器中的上述信息，对编码器的健康状态进行初步判断，并据此判断是否进行进一步的检修，这样，可以进一步提高检修效率。

进一步地，信号调理芯片，还可以根据环境进行幅值的自动调节。当环境变化时，编码器可以根据环境的变化，调整自身的运行参数，进而适应新环境，保持良好的运行状态。这样，增强了编码器的对环境的适应能力，进一步减少了对编码器的拆卸次数，提高编码器的使用寿命。

I2C驱动模块将信号调理芯片通过I2C接口输出的信息转化为差分信号，以输出至外部诊断设备。由于差分信号可以长距离传输且抗干扰能力强，这样，可以增加编码器与外部诊断设备之间的传输距离。

另外，外部诊断设备，既可以通过I2C驱动模块获取编码器的运行参数，也可以通过I2C驱动模块传输调整编码器运行参数的信息。

具体地说，I2C驱动模块包含两个RS485芯片，与一个转换电路，具体如图2所示。在本实施方式中，RS485芯片采用MAX485芯片。I2C接口的时钟线(SCL)经MAX485芯片转为差分输出(SCL+、SCL-)，数据线(SDA)经转换电路与MAX485芯片转为差分输出(SDA+、SDA-)。利用I2C驱动模块进行差分传输，可以提高传输距离和抗干扰能力，且成本低。

与现有技术相比，由于编码器包含I2C接口，外部诊断设备可以通过该I2C接口对编码器内置的寄存器中的运行参数进行在线读取，并根据读取的运行参数对其进行在线调整，这样，不但无需通过拆除编码器对其进行检修，减少检修时对编码器的拆卸次数，提高编码器的使用寿命与检修效率，而且，降低了设计的复杂性，提高了编码器调整的可靠性。

另外，需要说明的是，在实际应用中，I2C驱动模块还可以采用I2C总线驱动芯片，增加传输距离，具体实施时，可根据情况进行选择，在此不再赘述。

本发明的第二实施方式涉及一种外部诊断设备，具体如图3所示，包含：信息处理与补偿单元以及显示模块。其中，信息处理与补偿单元与显示模块相连。在本实施方式中，外部诊断设备为手持设备或者电梯控制器。

信息处理与补偿单元，用于对从编码器内置的寄存器中读取的运行参数进行诊断并补偿。

具体地说，信息处理与补偿单元包含：信号检测模块、信号处理与信息提取模块、状态判断与补偿信息译码模块、状态信息处理模块与通讯模块。

状态信息处理模块，通过通讯模块从编码器中读取基本状态的参数。

信号检测模块，在从编码器读取的两路正余弦正交信号中检测到有效信号时，将有效信号作为采样信号输出至信息处理与信息提取模块。其中，正弦信号用Sin表示，余弦信号用Cos表示。其中，信号检测模块包含信号调理器与模数转换器。信号调理器将正余弦信号放大到一定的幅度，数模转换器对放大后的正余弦信号进行采样。

另外，需要说明的是，本实施方式中的编码器为正余弦模拟输出的增量式编码器。

信号处理与信息提取模块，将通过通讯模块读取的基本状态的参数与采样信号携带的运行参数结合后进行处理，两者结合与处理方式为：先通过通讯模块将编码器的基本状态的参数进行提取，然后对采样得到的正余弦信号的幅值、直流偏移、相位等参数进行分别提取，将上述信息打包后输出至状态判断与补偿译码模块。

状态判断与补偿信息译码模块，根据接收的信息对编码器的状态进行判断并译码，获取与寄存器对应的补偿信息及最终状态的运行参数，并将补偿信息通过通讯模块输出至编码器，以供编码器对当前的运行参数进行补偿；还将编码器的最终状态的运行参数输出至状态信息处理模块。

状态信息处理模块，从状态判断与补偿信息译码模块读取编码器的最终状态的运行参数，并根据读取的信息(包含基本状态的参数与编码器的最终状态的运行参数)进行诊断，获取对编码器的诊断状态。

显示模块，显示状态信息处理模块获取的诊断状态，供检修人员查看，并了解编码器的运行状态及存在的问题。

本发明第三实施方式涉及一种在线诊断与调整方法，如图4所示，包含以下步骤：

步骤401，外部诊断设备通过编码器的I2C接口从寄存器中读取编码器的基本状态的参数。其中，基本状态的参数包含输出信号的幅值、直流偏移和相位等运行参数。

步骤402，根据基本状态的参数，判断环境是否过热。若是，则执行步骤403，若否，则执行步骤404。

步骤403，诊断为因环境过热导致编码器输出异常。

步骤404，判断信号是否丢失。若是，则执行步骤405，若否，则执行步骤406.

步骤405，诊断为编码器信号丢失。

步骤406，计算直流偏移量。

具体地说，在本步骤中，编码器输出信号的直流偏移量可以通过对取一个或几个周期内采样得到的值取平均得到。设N为计算直流偏移量时间间隔内的采用点数，U_SO为正弦信号的直流偏移量，U_CO为余弦信号的直流偏移量。由上述分析可得两信号偏移量如下所示：

其中,u_Si和u_Ci分别表示第i个采样时刻正弦和余弦信号的瞬时值，i、N均为自然数。

步骤407，判断直流偏移量是否正常。若是，则执行步骤411，若否，则执行步骤408。具体地说，是对两个信号偏移量分别进行判断，两者均正常时，则判定为直流偏移量正常，否则，判定为直流偏移量不正常。

步骤408，判断直流偏移量补偿的次数是否达到预设次数。若是，则执行步骤409，若否，则执行步骤410。在本实施方式中，预设次数为3，直流偏移量补偿的次数的初始值为0，且直流偏移量补偿的次数在每一次补偿后加1。

步骤409，诊断为编码器损坏。检修人员可以考虑对编码器进行拆卸检修。

步骤410，直流偏移量补偿。

从步骤406到步骤410，是在编码器基本状态无异常时，开始计算输出信号的直流偏移量。如果直流偏移量正常则执行步骤411，如果直流偏移量异常则进行直流偏移量的补偿。如果一次补偿成功，则执行步骤411，如果三次可成功补偿，也执行步骤411。倘若三次补偿均失败，则说明编码器已经无法正常工作，则诊断为编码器损坏，需考虑拆卸编码器进行检修。

步骤411，计算幅值。

在本步骤中，设幅值提取周期内的采样点数为N，U_Smax和U_Cmax分别代表正、余弦信号的最大值，U_Smin和U_Cmin分别代表正、余弦信号的最小值。U_S和U_C代表正、余弦信号的幅值，λ为正、余弦信号幅值偏差。u_Si和u_Ci代表正、余弦信号第i时刻采样值，其中，i、N均为自然数，i＝1,2，……，N。

其中，max()是取最大值，min()是取最小值。

步骤412，判断幅值是否正常。若是，则执行步骤416，若否，则执行步骤413。具体地说，是对U_S、U_C与λ分别进行判断，若三者均在预设的范围内，则幅值正常，否则，幅值异常。

步骤413，判断幅值补偿是否达到预设次数。若是，则执行步骤414，若否，则执行步骤415。在本实施方式中，预设次数为3。

步骤414，诊断为编码器损坏。检修人员可以考虑对编码器进行拆卸检修。

步骤415，幅值补偿。

具体地说，在进行幅值补偿时，需要考虑两个因素，一是正、余弦信号自身幅值，二是两者幅值偏差。在幅值调整过程中，可以分为两种情况来进行，一是正、余弦信号幅值相等，二是正、余弦信号幅值不等。设K_S、K_C分别为U_S、U_C的幅值调整系数，U_S1、U_C1为正、余弦信号调整后的幅值。其中，

下面分三种情况进行介绍。

(1)U_S＝U_C

K_S＝K_C且根据幅值大小同增、同减或不变。

(2)U_S>U_C

A.二者幅值均大于正常值时：先按照K_S＝K_C调整U_C到正常幅值范围，然后减小K_S使得两者幅值相等。

B.U_S大于正常值，U_C属于正常值时：减小K_S使得二者幅值相等。

C.两者均小于正常值时：先按照K_S＝K_C调整U_S到正常幅值，然后增大K_C使得二者幅值相等。

(3)U_S<U_C

分析调整方法与(2)相似，在此不再赘述。

从步骤411到步骤415，是在编码器输出信号的直流偏移量正常时，开始计算输出信号的幅值。如果幅值正常则执行步骤416，如果幅值异常则进行幅值的补偿。如果一次补偿成功，则执行步骤416，如果三次可成功补偿，也执行步骤416。倘若三次补偿均失败，则说明编码器已经无法正常工作，则诊断为编码器损坏，需考虑拆卸编码器进行检修。

步骤416，计算相位差。

具体地说，正、余弦信号相位差正常时，正、余弦过零点之间的相位差与余、正弦过零点之间的相位差是相等的。当正、余弦信号正交出现偏差时，余弦信号存在滞后相位角θ_d，通过计算出θ_d的大小经过译码后可以得到编码器相位补偿值。θ_d的计算方式如下：

其中，

由上述两式可得

通过读取正余弦信号三个过零点的计数器的值可以得到和故可得ε的值，将ε的值代入上式，可得θ_d的值。其中，第一个过零点启动计数器开始计数，第二个过零点读取第三个过零点读取和之和Φ_SC，由Φ_SC减去便可得

上述计算相位差的方法简单，容易实现。

进一步地，采用足够多的采样点数，并采用点积求和的方式，来获取正、余弦信号的相位差。

具体地说，实际情况下，正余弦信号的瞬时值为：

通过幅值调整后，正、余弦信号的幅值是相等的，取U_S＝U_C＝M。对上式进行离散化处理，得到其离散化方程如下：

其中，N为采样点数，t为采样时间，i＝1,2，……，N。对两组数据进行点积求和得

离散化前，正、余弦信号瞬时值的点积和为：

如果N足够大且θ_d较小，则有

由上式可以看出，采样点的点积和与相角偏差θ_d成正比例关系，以及在已知幅值M的情况下可以计算出θ_d的大小，进而可以计算出相位补偿值，对相位进行补偿。

步骤417，判断相位差是否正常。若是，则执行步骤421，若否，则执行步骤418。

步骤418，判断相位差的补偿是否达到预设的次数。若是，则执行步骤419，若否，则执行步骤420。在本实施方式中，预设次数为3。

步骤419，诊断为编码器损坏。检修人员可以考虑对编码器进行拆卸检修。

步骤420，相位差补偿。

从步骤416到步骤420，是在编码器输出信号的幅值正常时，开始计算输出信号的相位差。如果相位差正常则执行步骤421，如果幅值异常则进行幅值的补偿。如果一次补偿成功，则执行步骤421，如果三次可成功补偿，也执行步骤421。倘若三次补偿均失败，则说明编码器已经无法正常工作，则诊断为编码器损坏，需考虑拆卸编码器进行检修。

在本实施方式中，从步骤406到步骤420，依次根据编码器的输出信号的幅值、直流偏移和相位确定编码器的运行状态，并根据确定的运行状态对对应的运行参数进行调整，直至对应的运行参数在预设的范围内。

步骤421，状态信息处理。在本步骤中，对基本状态的参数与编码器的运行参数(编码器的输出信号的幅值、直流偏移和相位)进行处理，获取诊断信息，确定编码器的健康状态，并将诊断信息输出显示，以供检修人员参考。

其中，编码器的健康状态可以分为如下几个等级：

健康：幅值、直流偏移以及相位差均正常，无需补偿。

良好：幅值、直流偏移以及相位差出现可接受范围的异常，此时编码器可轻微补偿或不补偿(根据设定范围选择)。也就是，异常在设定范围内时，不补偿，异常在设定范围之外时，可进行轻微补偿。

较差：幅值、直流偏移以及相位差出现不可接受的异常，但是可以通过补偿可以恢复到良好或健康状态。

差：编码器信号丢失或幅值、直流偏移相位出现无法补偿的情况。此时编码器本身出现问题，需要拆卸编码器进一步寻找原因。

检修人员根据显示的编码器的健康状态，可以了解编码器的运行状况。

上述方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式、第二实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式、第二实施方式互相配合实施。第一实施方式、第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式、第二实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种在线诊断与调整方法，其特征在于，包含以下步骤：

若编码器的基本状态正常，则外部诊断设备通过所述编码器上的I2C接口从所述编码器内置的寄存器中读取所述编码器的运行参数；其中，所述编码器为正余弦模拟输出的增量式编码器，所述运行参数包含所述编码器的输出信号的幅值、直流偏移和相位；

所述编码器包含：信号调理芯片与I2C驱动模块；

所述信号调理芯片内置的寄存器中储存的所述编码器的运行参数通过所述I2C接口被外部诊断设备进行读取与调整；

所述I2C驱动模块将所述信号调理芯片通过所述I2C接口输出的信息转化为差分信号，以输出至所述外部诊断设备；

2.根据权利要求1所述的在线诊断与调整方法，其特征在于，在所述外部诊断设备通过所述编码器上的I2C接口从所述编码器内置的寄存器中读取所述编码器的运行参数的步骤之前，包含以下步骤：

所述外部诊断设备通过所述I2C接口从所述寄存器中读取所述编码器的基本状态的参数；

根据所述基本状态的参数，检测到所述编码器因环境过热或者信号丢失时，判定所述编码器异常，否则，判定所述编码器的基本状态正常。

3.根据权利要求1所述的在线诊断与调整方法，其特征在于，在所述外部诊断设备根据所述运行参数，确定所述编码器的运行状态，并根据所述运行状态对所述运行参数进行调整，直至所述运行参数在预设的范围内的步骤中，

依次根据所述编码器的输出信号的幅值、直流偏移和相位确定所述编码器的运行状态，并根据所述运行状态对对应的运行参数进行调整，直至对应的运行参数在预设的范围内。

4.一种编码器，其特征在于，包含：信号调理芯片与I2C驱动模块；

5.根据权利要求4所述的编码器，其特征在于，还包含配置有所述运行参数的存储器；

系统上电后通过I2C接口将所述存储器中的参数加载到所述寄存器。

6.根据权利要求4所述的编码器，其特征在于，还包含光电芯片IC；

所述光电IC与所述信号调理芯片相连；

所述光电IC，用于将接收的光信号转化为电压信号，并输出至所述信号调理芯片；其中，所述电压信号为光电池原始电压信号。

7.一种外部诊断设备，其特征在于，应用于如权利要求4所述的编码器，所述外部诊断设备包含：信息处理与补偿单元以及显示模块；

所述信息处理与补偿单元与所述显示模块相连；

所述显示模块，显示诊断状态。

8.根据权利要求7所述的外部诊断设备，其特征在于，所述信息处理与补偿单元包含：信号检测模块、信号处理与信息提取模块、状态判断与补偿信息译码模块、状态信息处理模块与通讯模块；

所述状态信息处理模块，通过所述通讯模块从所述编码器中读取基本状态的参数，然后从所述状态判断与补偿信息译码模块读取所述编码器的最终状态的运行参数，并根据读取的信息，进行诊断，获取所述诊断状态；

所述信号检测模块，在从所述编码器读取的两路正余弦正交信号中检测到有效信号时，将所述有效信号作为采样信号输出至所述信息处理与信息提取模块；

所述信号处理与信息提取模块，将通过所述通讯模块读取的所述基本状态的参数与所述采样信号携带的运行参数结合后进行处理，并输出至所述状态判断与补偿信息译码模块；

所述状态判断与补偿信息译码模块，根据接收的信息对所述编码器的状态进行判断并译码，获取与所述寄存器对应的补偿信息及所述最终状态的运行参数，并将所述补偿信息通过所述通讯模块输出至所述编码器。

9.根据权利要求7所述的外部诊断设备，其特征在于，所述外部诊断设备为手持设备或者电梯控制器。