CN104748701A - 绝对式光电编码器粗码译码电路及其粗码自适应采样的译码方法 - Google Patents

Abstract

绝对式光电编码器粗码译码电路及其粗码自适应采样的译码方法，属于光电轴角测量技术领域。为了解决现有的绝对式光电编码器粗码译码的比较电压靠查表获得操作复杂的问题。本发明采用A/D模块对光电码盘的光电信号进行采样，使所述光电信号离散化，获得离散后的采样数据；对离散后的采样数据进行处理，得到采样数据的最大值和最小值；根据获得的最大值和最小值，按占空比50％得到实时的比较电压；粗码译码模块根据获得的比较电压对当前粗码信号进行译码，进而获得粗码译码信号。本发明用于粗码译码。

Description

绝对式光电编码器粗码译码电路及其粗码自适应采样的译码方法

技术领域

本发明属于光电轴角测量技术领域。

背景技术

光电轴角编码器，又称光电角位置传感器，是一种集光、机、电为一体的数字测角装置。由于它结构简单，分辨率高，精度高，因此已被广泛应用在精密角位置的测量、数控及数显系统中。光电轴角编码器分为绝对式光电轴角编码器和增量式光电轴角编码器。绝对式光电轴角编码器同增量式相比，具有固定零点，输出代码是轴角的单值函数，抗干扰能力强，掉电后再启动无须重新标定，无累积误差等优点，因此在国防、航天，及科研部门得到了广泛应用，但其缺点是制造工艺复杂，不易实现小型化。

在航天领域中，空间卫星光通信、天基激光武器等空间应用技术是当前世界各国重点发展的空间光电技术。其中，空间卫星之间进行精确的信息捕获、跟踪与瞄准成为发展这些空间对抗技术的关键技术难点，在恶劣的环境和复杂的条件下，由于光电编码器光电发射器件和光电接收器件的参数易受环境因素的影响，致使译码电路得到的光电流信号发生较大的变化，直接影响了译码电路的正常译码。同时长时间使用电子元器件的老化也会使光电信号的质量降低，影响其测角精度。为了保证高精度编码器在不同温度环境和长期使用后的测角精度，已有技术是提供一种绝对式光电编码器比较电压自调整方法及译码简化电路：在原有电路结构的基础上加入温度传感器，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芯片根据码盘所处的温度段、角度区间和具体读数头查表输出，其原理示意图如图1所示；中精码、精码采样差分放大电路采用功率更大、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。

在已有的技术中虽然解决了光电轴角编码器粗码在环境、温度的影响下波形的幅值可能会发生变化或波形整体向上或向下浮动以及译码出现跳码的问题，但也增加外扩非易失性Flash存储器和DAC模块，这使得系统结构并没有得到太多的简化。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的绝对式光电编码器粗码译码的比较电压靠查表获得操作复杂的问题，本发明提供一种绝对式光电编码器粗码译码电路及其粗码自适应采样的译码方法。

本发明的绝对式光电编码器粗码译码电路，

所述译码电路包括DSP处理器、光电码盘、粗码译码模块、A/D模块和精码及中精码译码模块；

光电码盘的电流信号输出端同时与粗码译码模块的电流信号输入端、精码及中精码译码模块的电流信号输入端和A/D模块的电流信号输入端连接；

粗码译码模块的粗码译码信号输出端与DSP处理器的粗码译码信号输入端连接，精码及中精码译码模块的精码及中精码译码信号输出端与DSP处理器的精码及中精码译码信号输入端连接，A/D模块的采样信号输出端与DSP处理器的采样信号输入端连接，DSP处理器对输入的采样信号进行处理输出比较电压给粗码译码模块。

绝对式光电编码器粗码自适应采样的译码方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：采用A/D模块对光电码盘的光电信号进行采样，使所述光电信号离散化，获得离散后的采样数据；

步骤二：对离散后的采样数据进行处理，得到采样数据的最大值和最小值；

步骤三：根据获得的最大值和最小值，按占空比50％得到实时的比较电压；

步骤四：粗码译码模块根据获得的比较电压对当前粗码信号进行译码，进而获得粗码译码信号。

所述步骤二包括：

步骤二一：采用递推平均滤波法对离散化后的采样数据进行一次滤波，获得一次滤波后的采样数据；

步骤二二：采用重心法对一次滤波后的采样数据进行平滑处理，获得新的数据点；

步骤二三：在一个采样周期内，将新的数据点采用插入排序法分别取得最大值和最小值。

所述步骤三包括：

步骤三一：对取得的最大值和最小值用最小二乘移动平滑法进行平滑估计，得到估计波峰值和估计波谷值；

步骤三二：根据获得的估计波峰值和估计波谷值，按占空比50％得到实时的比较电压。

所述步骤三二，根据估计波峰值和估计波谷值，再按占空比50％得到实时的比较电压的过程为：

按占空比50％得到实时的比较电压为：

W_n＝(X_n+Y_n)/2；

X_n为估计波峰值的基准电压值，Y_n为估计波谷值的基准电压值。

本发明的有益效果在于，本发明的比较电压不再由查表输出提供，而是对采样数据进行处理得到采样数据最大最小值，然后按占空比50％得到比较电压，操作简单。本发明增加一个A/D模块，直接读取粗码信号，并对采样数据进行一次滤波处理，以及平滑处理。一次滤波采用递推平均滤波法，可以有效地抑制干扰，接着采用重心法对采样数据进行平滑处理，使得采样数据具有较好的平滑效果。对处理后的采样数据采用插入排序法找到最大最小值，并对最大值和最小值，用最小二乘移动平滑法再次进行平滑估计得到估计波峰值和估计波谷值，从而确定精确的实时比较电压。

附图说明

图1为已有技术方案的光电编码器粗精码译码电路的原理示意图；

图2为具体实施方式中的绝对式光电编码器粗码译码电路的原理示意图；

图3为具体实施方式中的绝对式光电编码器粗码自适应采样的译码方法的流程图；

图4为具体实施方式中实时比较电压、粗码信号和译码信号的电压波形示意图。

具体实施方式

结合图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的绝对式光电编码器粗码译码电路，

所述译码电路包括DSP处理器8、光电码盘9、粗码译码模块10、A/D模块11和精码及中精码译码模块12；

光电码盘9的电流信号输出端同时与粗码译码模块10的电流信号输入端、精码及中精码译码模块3的电流信号输入端和A/D模块11的电流信号输入端连接；

粗码译码模块10的粗码译码信号输出端与DSP处理器8的粗码译码信号输入端连接，精码及中精码译码模块12的精码及中精码译码信号输出端与DSP处理器8的精码及中精码译码信号输入端连接，A/D模块11的采样信号输出端与DSP处理器8的采样信号输入端连接，DSP处理器8对输入的采样信号进行处理输出比较电压给粗码译码模块10；

本实施方式选用了3片4通道的A/D模块ADC，把ADC的数据端口、片选端口和锁存控制端口分别与DSP处理器8的各GPIO端口相连，对光电码盘信号进行采样；

本实施方式选用的光电码盘为22位分辨率高精度光电轴角编码器，精码道刻划周期数是4096，码盘的最大角速度是8mrad/s，通过软件控制A/D每1ms采样一次，每个采样周期平均细分为1024个点。这时光电信号的频率为4096×8mrad/s＝5.2hz，采样频率是1khz，所以一个周期能采到1000/5.2≈192个点。

本实施方式的绝对式光电编码器粗码自适应采样的译码方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：采用A/D模块对光电码盘的光电信号进行采样，使所述光电信号离散化，获得离散后的采样数据，每个周期采到192个采样点，分别编号为u₁,u₂,u₃,u₄......,u₁₉₂；

步骤二：采用递推平均滤波法对离散化后的采样数据进行一次滤波，获得一次滤波后的采样数据：

把连续取N个离散化后的采样数据看成一个对列，队列的长度固定为N，每次采用到一个新的数据放入队尾，并扔掉队首的一个数据，把队列中的N个数据进行算术平均值运算，就可得到新的滤波结果：x₁,x₂,x₃,x₄......,x₁₉₂。

步骤三：采用重心法对一次滤波后的采样数据进行平滑处理，获得新的数据点：

步骤三一：重心法就是选取加权因子和归一化因子使光滑后的数据成为原来数据的重心。由于道数是整数，没有半道的情况存在，若用2道的数据取重心，则第i道计数的重心(平均值)为：

${\tilde{x}}_i=\frac{1}{4}({\tilde{x}}_{i-1}+2x_i+x_{i+1})$

步骤三二：将一次滤波后的数据x₁,x₂,x₃,x₄......,x₁₉₂带入上式得到平滑处理后的数据 ${\tilde{x}}_1,{\tilde{x}}_2,{\tilde{x}}_3......{\tilde{x}}_{192}.$

步骤四：在一个采样周期内，将新的数据点采用插入排序法分别取得最大值和最小值：

由上述方法可以得到最大值max＝x(k)，最小值min＝x(u)。

步骤五：对取得的最大值和最小值用最小二乘移动平滑法进行平滑估计，得到估计波峰值和估计波谷值：

步骤五一：其基本思想是当求平滑之后最值序列的第m点数据时，先在原始数据第m点的左右各取K个数据点形成一个共有2K+1个数据点的窗口；在这个窗口中用多项式拟合原始数据，则拟合多项式在m点的值就是平滑后的序列在m点的值；当m值沿序列数据移动时就可以得到整个平滑后的序列数据；

用q阶多项式S(x)＝a₀+a₁(x-m)+a₂(x-m)²+......+a_q(x-m)^q逼近原始序列数据，平滑后序列第m点的值为同时还可以把S(x)在m点的各阶导数值作为平滑后的序列在m点的各阶导数值；平滑后的谱在m点的p阶导数值为根据上述原理用最小二乘法函数拟合可以导出计算平滑后的谱数据和其各阶导数值的具体计算公式 ${\tilde{y}}_{m\left(p\right)}=N_k-{\mathrm{\Σ}}_{x=m}{C}_{\mathrm{kj}}=p!a_p;$

当平滑窗口为W＝2K+1时，规范化常数N_k为和权因子C_kj的值可以公式 $\frac{C_{\mathrm{kj}}}{N_k}=\frac{1}{W}[1+\frac{15}{W^2-4}(\frac{W^2-1}{12}-j^2)]-k\≤j\≤k$ 得到；

步骤五二：通过步骤四获得的最大值x(k)和最小值x(u)，t是采样时间间隔，分别在最大值x(k)和最小值x(u)前后各取N个值，N的值由波形具体情况决定，下面取N为3的情况为例来介绍这种方法，分别在最大值前面和后面各取3个点x(k-3t),x(k-2t),x(k-t),x(k+t),x(k+2t),x(k+3t)与x(k)构成序列{x_i}＝{x_-3,x_-2,x_-1,x₀,x₁,x₂,x₃}，分别在最小值前面和后面各取3个点x(u-3t),x(u-2t),x(u-t),x(u+t),x(u+2t),x(u+3t)与x(u)构成最小值序列{y(u)}＝{y_-3,y_-2,y_-1,y₀,y₁,y₂,y₃}；

步骤五三：用最小二乘移动平滑法对序列做平滑估计求估计波峰值：由上述给定的公式可以求出N_k和C_kj的值得到七点平滑公式为：

$z_m=\frac{1}{64}(x_{m-3}+{6x}_{m-2}+{15x}_{m-1}+{20x}_m+{15x}_{m+1}+{6x}_{m+2}+x_{m+3});$

由m＝0得到平滑后的最大值z_m，以此值作为估计波峰值；

步骤五四：用最小二乘移动平滑法对序列做平滑估计求估计波谷值：由上述给定的公式可以求出N_k和C_kj的值得到七点平滑公式为：

$w_m=\frac{1}{64}(y_{m-3}+{6y}_{m-2}+{15y}_{m-1}+{20y}_m+{15y}_{m+1}+{6y}_{m+2}+y_{m+3});$

由m＝0得到平滑后的最小值w_m，以此值作为估计波峰值；

步骤六：根据获得估计波峰值和估计波谷值，按占空比50％得到实时的比较电压：按占空比50％得到实时的比较电压为：

W_n＝(X_n+Y_n)/2；

X_n为估计波峰值的基准电压值，Y_n为估计波谷值的基准电压值；

步骤七：粗码译码模块10根据获得的比较电压对当前粗码信号进行译码，进而获得粗码译码信号。

本实施方式中获得的比较电压、粗码信号和译码信号的电压波形示意图如图4所示。

Claims (5)

1.绝对式光电编码器粗码译码电路，其特征在于，

所述译码电路包括DSP处理器(8)、光电码盘(9)、粗码译码模块(10)、A/D模块(11)和精码及中精码译码模块(12)；

光电码盘(9)的电流信号输出端同时与粗码译码模块(10)的电流信号输入端、精码及中精码译码模块(12)的电流信号输入端和A/D模块(11)的电流信号输入端连接；

粗码译码模块(10)的粗码译码信号输出端与DSP处理器(8)的粗码译码信号输入端连接，精码及中精码译码模块(12)的精码及中精码译码信号输出端与DSP处理器(8)的精码及中精码译码信号输入端连接，A/D模块(11)的采样信号输出端与DSP处理器(8)的采样信号输入端连接，DSP处理器(8)对输入的采样信号进行处理输出比较电压给粗码译码模块(10)。

2.绝对式光电编码器粗码自适应采样的译码方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：采用A/D模块对光电码盘的光电信号进行采样，使所述光电信号离散化，获得离散后的采样数据；

步骤二：对离散后的采样数据进行处理，得到采样数据的最大值和最小值；

步骤三：根据获得的最大值和最小值，按占空比50％得到实时的比较电压；

步骤四：粗码译码模块(10)根据获得的比较电压对当前粗码信号进行译码，进而获得粗码译码信号。

3.根据权利要求2所述的绝对式光电编码器粗码自适应采样的译码方法，其特征在于，所述步骤二包括：

步骤二一：采用递推平均滤波法对离散化后的采样数据进行一次滤波，获得一次滤波后的采样数据；

步骤二二：采用重心法对一次滤波后的采样数据进行平滑处理，获得新的数据点；

步骤二三：在一个采样周期内，将新的数据点采用插入排序法分别取得最大值和最小值。

4.根据权利要求3所述的绝对式光电编码器粗码自适应采样的译码方法，其特征在于，所述步骤三包括：

步骤三一：对取得的最大值和最小值用最小二乘移动平滑法进行平滑估计，得到估计波峰值和估计波谷值；

步骤三二：根据获得的估计波峰值和估计波谷值，按占空比50％得到实时的比较电压。

5.根据权利要求4所述的绝对式光电编码器粗码自适应采样的译码方法，其特征在于，所述步骤三二，根据估计波峰值和估计波谷值，再按占空比50％得到实时的比较电压的过程为：

按占空比50％得到实时的比较电压为：

W_n＝(X_n+Y_n)/2；

X_n为估计波峰值的基准电压值，Y_n为估计波谷值的基准电压值。