CN105842473A - 一种旋转编码器测速方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明主要解决的技术问题是提供一种旋转编码器测速方法，包括下述步骤：定义稳定状态下旋转编码器输出脉冲信号的标准数字表示，并存储该标准数字表示；接收当前状态下旋转编码器的脉冲信号，并将该脉冲信号转化为当前数字表示；将所述当前数字表示与存储的标准数字表示进行比较，根据比较结果决定是否计算当前状态下旋转编码器的转动速度。通过将采集的旋转编码器的脉冲信号用数字表示，并将该数字信号与预存储的标准数字表示进行比较，筛去不匹配数字信号，消除由于机械抖动造成的误判。

Description

一种旋转编码器测速方法及其系统

技术领域

本发明涉及速度检测方法及其系统，特别是一种旋转编码器测速方法及其系统。

背景技术

在工业喷墨打印设备的运行和使用中，打印机需要连接一种增量式的旋转编码器，来获取打印介质(如纸张，以下简称介质)的运动速度。编码器有两种方式与介质运动机构连接，一种是与驱动介质运动的驱动轴轴向套接在一起；另一种是将编码器安装一个从动轮使该从动轮直接与运输介质的皮带接触。通过统计编码器的输出脉冲数量，计算打印介质的运动速度。由于高质量、高分辨率打印的需要，对编码器的准确测速提出了很高的要求。

在打印设备的作业环境中，要求在打印过程中介质的运动速度是匀速的，如果没有振动或外力对编码器旋转轴的冲击等干扰，那么编码器将输出固定周期的方波脉冲信号，测速电路通过统计一定时间内的脉冲数量测量介质运动速度，其结果也将是匀速的。

由于在实际的打印作业环境中，匀速旋转的编码器容易受到其所在的机械平台的振动、或直接作用于编码器的旋转轴的外部冲击力。以上两种情况都可能造成码盘的抖动，而给码盘及光电检测电路的正常工作带来干扰。当编码器受到干扰时，它输出的脉冲信号就会出现抖动，此时编码器输出的脉冲信号不再是固定周期的方波。将含有抖动脉冲的编码器信号输入到测速电路中，测速电路可能会出现误判和计算错误，使高质量、高分辨率打印不可能完成。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种旋转编码器测速方法及其系统，通过将采集的旋转编码器的脉冲信号用数字表示，并将该数字信号与预存储的标准数字表示进行比较，筛去不匹配数字信号，消除由于机械抖动造成的误判。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种旋转编码器测速方法，包括下述步骤：

接收当前状态下旋转编码器的脉冲信号，并将该脉冲信号转化为当前数字表示；

将所述当前数字表示与预存储的标准数字表示进行比较，根据比较结果决定是否计算当前状态下旋转编码器的转动速度；

若所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功时，计算当前状态下旋转编码器的转动速度；若所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败时，则不计算当前状态下旋转编码器的转动速度。

进一步地，所述旋转编码器输出两个脉冲信号，以便于确认所述旋转编码器的转动方向。

更进一步地，所述确认旋转编码器转动方向具体为：利用所述两个脉冲信号的相位关系(超前或滞后)表示和确认旋转编码器不同的旋转方向；

更进一步地，所述旋转编码器转动方向由鉴相器进行确认。

更进一步地，定义稳定状态下旋转编码器输出脉冲信号的两个标准数字表示，所述两个标准数字表示对应于旋转编码器的两个脉冲信号。

更进一步地，记录所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功的次数，当所述匹配成功的次数达到预设定阈值次数时，计算所述旋转编码器转动速度。

更进一步地，所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功时，记录匹配成功的持续时间；

所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败时，记录匹配失败的持续时间。

更进一步地，通过两个计时器分别记录所述匹配成功的持续时间和匹配失败的持续时间。

更进一步地，读取所述匹配成功的持续时间，将该所述匹配成功的持续时间作为计算旋转编码器转动速度的一个参数。

更进一步地，记录所述匹配失败的次数；

通过比较不同时间内记录的匹配失败的次数，判定旋转编码器所处作业环境的优劣程度。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种旋转编码器测速系统，包括：

旋转编码器，用于将机械转动状态转化为脉冲信号；

存储器，第一寄存器用于存储稳定状态下旋转编码器输出脉冲信号的标准数字表示。第二寄存器用于存储旋转编码器运行期间当前数字表示与标准数字表示匹配失败的总次数；

倍频器，用于接收当前状态下旋转编码器的脉冲信号，并将该脉冲信号转化为当前数字表示；

脉冲计数器中的第一计数器，用于记录旋转编码器输出信号经四倍频处理后的信号中包含的匹配成功的脉冲数量；

脉冲计数器中的第二计数器，用于记录每个连续模式匹配失败期间匹配失败的次数；

比较器，用于将所述当前数字表示与存储的标准数字表示进行比较，并根据比较结果决定是否计算当前状态下旋转编码器的转动速度；

计算单元，用于计算旋转编码器的转动速度；

若所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功时，计算单元计算当前状态下旋转编码器的转动速度；若所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败时，计算单元不计算当前状态下旋转编码器的转动速度。

更进一步地，记录所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功的次数，当所述匹配成功的次数达到预设定阈值次数时，计算所述旋转编码器转动速度。

更进一步地，所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功时，记录匹配成功的持续时间；

所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败时，记录匹配失败的持续时间。

本发明的有益效果是：通过将采集的旋转编码器的脉冲信号用数字表示，并将该数字信号与预存储的标准数字表示进行比较，筛去不匹配数字信号，可消除由于机械抖动造成的误判。

附图说明

图1为本发明整体流程图；

图2为本发明旋转编码器正向旋转时输出脉冲信号示意图；

图3为本发明旋转编码器反向旋转时输出脉冲信号示意图；

图4为本发明系统连接框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

请参阅图1，一种旋转编码器测速方法，包括下述步骤：

S1、定义稳定状态下旋转编码器输出脉冲信号的标准数字表示，并存储该标准数字表示。在旋转编码器跟随介质转动时，会输出两个脉冲信号，分别为A相脉冲信号与B相脉冲信号。在平稳的状态中，旋转编码器在正转的情况下A相脉冲信号超前B相脉冲信号1/4周期，如图2所示。FPGA(现场可编程门阵列)电路将顺序检测A相脉冲信号的上升沿、B相脉冲信号的上升沿、A相脉冲信号的下降沿以及B相脉冲信号的下降沿。在旋转编码器未受干扰的理想情况下，在连续4个1/4周期内，FPGA电路从旋转编码器的两个输入管脚上依次读取到的逻辑电平值分别为“10”、“11”、“01”、“00”，通过移位操作，将这4个2bit的数值放置在一个8bit的第一寄存器中，那么这个字节的数值为“10110100”，换算成十六进制等于0xB4。在编码器反转的情况下，B相脉冲信号超前A相脉冲信号1/4周期，如图3所示，FPGA电路将顺序检测B相脉冲信号的上升沿、A相脉冲信号的上升沿、B相脉冲信号的下降沿以及A相脉冲信号的下降沿。在编码器未受干扰的稳定情况下，在连续4个1/4周期内，FPGA从两个输入管脚上读取到的数值分别为“01”、“11”、“10”、“00”，通过移位操作，将这4个2bit的数值放置在一个8bit的第一寄存器中，形成一个字节的数值为“01111000”，换算成十六进制等于0x78。

S2、接收当前状态下旋转编码器的脉冲信号，并将该脉冲信号转化为当前数字表示。在旋转编码器跟随介质转动时，会输出两个脉冲信号，分别为A相脉冲信号与B相脉冲信号。为了得到一个稳定且容易获取的脉冲信号，需要对A相脉冲信号与B相脉冲信号进行倍频处理，采用四倍倍频器对A相脉冲信号与B相脉冲信号进行处理，将处理后的A相脉冲信号与B相脉冲信号移位到比较器中，由比较器对上述脉冲信号进行处理。四倍倍频器工作时，根据编码器正转反转的情况，将每个1/4周期内读取到的A相脉冲信号电平值和B相脉冲信号电平值组成一个2bit的数值，与对应的1/4周期内的理想的2bit值进行比较，如果相等，则四倍倍频器将第一计数器加一，当该第一计数器达到最大值(0xffffffff)时，进行清零然后重新开始计数。

S3、将所述当前数字表示与存储的标准数字表示进行比较，根据比较结果决定是否计算当前状态下旋转编码器的转动速度。将记录在第一寄存器内平稳的状态中连续4个1/4周期内的脉冲信号的数字表示，与由第一脉冲计数器记录的当前状态下旋转编码器输出的连续4个1/4周期内脉冲信号的当前数字表示进行比较，根据比较结果来决定是否采用当前的测量参数计算旋转编码器转轴转动的速度。具体比较结果及后续处理方案为：若当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功时，计算当前状态下旋转编码器的转动速度；若当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败时，则不计算当前状态下旋转编码器的转动速度。

由于旋转编码器输出有两个脉冲信号，分别为A相脉冲信号与B相脉冲信号。A相脉冲信号与B相脉冲信的作用是：便于确认所述旋转编码器的转动方向。故在步骤S2之前需要确认旋转编码器的旋转方向。确认旋转编码器转动方向具体为：定义所述两个脉冲信号分别表示旋转编码器不同的旋转方向；根据所述两个脉冲信号到达时间的不同，确认旋转编码器的转动方向。举例说明，设定A相脉冲信号表示旋转编码器在正转的情况，设定B相脉冲信号表示旋转编码器在反转的情况，旋转编码器在正转的情况下A相脉冲信号超前B相脉冲信号1/4周期，如图2所示。通过鉴相器检测A相脉冲信号与B相脉冲信号之间的相位差，若A相脉冲信号先行到达鉴相器内，则认定旋转编码器的转轴正向旋转。在编码器反转的情况下，B相脉冲信号超前A相脉冲信号1/4周期，如图3所示，通过鉴相器检测A相脉冲信号与B相脉冲信号之间的相位差，若B相脉冲信号先行到达鉴相器内，则认定旋转编码器的转轴反向旋转。

在一些实施方式中，步骤S3中比较的结果会被记录，记录结果用于上位机评估旋转编码器作业环境中是否存在干扰以及所处环境的优劣程度。具体为：设置第二脉冲计数器记录当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败的次数，第二脉冲计数器上还连接第二寄存器。当模式匹配成功时，先判断第二脉冲计数器的值是否为零，如果不为零，则将第二脉冲计数器的值累加进入第二寄存器，然后立即将第二脉冲计数器清零。当模式匹配失败时，将第二脉冲计数器加1，同时立即将第一计数器清零。

与旋转编码器连接的上位机通过定期地读取第二寄存器内的值，就可以分析出当前编码器所处作业环境的优劣程度。基本方法模型和步骤是：

(1)ta时刻，上位机读取并记录第二寄存器的值；

(2)tb时刻，上位机再次读取并记录第二寄存器的值；

(3)计算两次的差值，如果差值小于等于整数N1则认为环境状况为良好，如果差值大于N1且小于等于N2，则认为环境状况较差，如果差值大于N2则认为环境状况恶劣。(N1、N2为根据具体应用场景设定的阈值N1<N2，tb-ta近似等于一个固定的时间间隔如5分钟)

通过这种方法，上位机或ARM和FPGA电路组成的整个打印系统，就具备了编码器环境监测的功能，并能通过声、光、电等形式的手段通知用户。

在一些实施方式中，采用计算单元对旋转编码器接触的介质运动速度进行计算。计算单元中，设置了两个计时器第一计时器、第二计时器，第一计时器、第二计时器的操作规则是：

(1)当检测到模式匹配失败时，计时器第一计时器清零、计数器第二计时器开始计时。

(2)当检测到模式匹配成功时，计时器第二计时器清零、计时器第一计时器开始计时。

因此，计时器第一计时器对应着连续模式匹配成功所持续的时间，计时器第二计时器对应着连续模式匹配失败所持续的时间。

当第一计数器大于某个阈值时，开始实时地计算介质运动速度V(米/分钟)，计算公式为：

$V=\frac{C1*0.25*3.14159*D}{T1}$

其中，C1为脉冲计数器中第一计数器的值，D为编码器旋转轴驱动轮的直径，计算时将其单位换算为米(m)，T1为第一计时器中记录的时间，计算时将其单位换算为分钟。

介质运动速度计算完毕，立即刷新FPGA与上位机接口的速度寄存器，上位机定期地轮询这个寄存器，就可以获悉打印介质的实时运动速度。

从前面的算法及各种计数器、计时器的操作规则中，不难看出，本发明的技术方案本质上是通过将编码器实际输出的字节与两种正常或理想情况下的正转模式(0xB4)或反转模式(0x78)进行比较和模式匹配，如果发现模式匹配失败，则立即丢弃这段不匹配的波形脉冲，停止测速，直到FPGA电路监测到模式匹配成功，才开始测速。

本实施方式中所述的介质为能够用于打印机打印的片状材料：如纸张、塑料膜或其他片状打印载体。

实施例2

请参阅图2,一种旋转编码器测速系统，包括：FPGA(现场可编程门阵列)电路与旋转编码器。FPGA电路2包括：存储器16、脉冲计数器13、比较器14和计算单元15。其中，旋转编码器1用于将机械转动状态转化为脉冲信号；存储器用于存储稳定状态下旋转编码器1输出脉冲信号的标准数字表示；倍频器用于接收当前状态下旋转编码器1的脉冲信号，并将该脉冲信号转化为当前数字表示；脉冲计数器中的第一计数器用于记录旋转编码器输出信号经四倍频处理后的信号中包含的匹配成功的脉冲数量；脉冲计数器中的第二计数器，用于记录每个连续模式匹配失败期间匹配失败的次数；比较器用于将当前数字表示与存储的标准数字表示进行比较；计算单元用于根据比较结果决定是否计算当前状态下旋转编码器1的转动速度，比较结果为:若所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功时，计算单元计算当前状态下旋转编码器1的转动速度；若所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败时，计算单元不计算当前状态下旋转编码器1的转动速度。本实施方式中旋转编码器1测速系统还包括：鉴相器11与倍频器12，鉴相器11用于检测旋转编码器1输出的脉冲信号的相移值，以便于确认所述旋转编码器1的转动方向，倍频器12用于将旋转编码器1输出的脉冲信号进行四倍频处理。本编码器测速系统各期间之间的连接关系为：旋转编码器1的两个输出端与鉴相器11连接，鉴相器的输出信号直接与倍频器12连接，倍频器12的输出端分别与比较器与脉冲计数器连接，比较器与脉冲计数器的输出端分别与计算单元连接，脉冲计数器与比较器之间也建立有连接关系。

作为倍频器的一种选择性实施例，倍频器具体为二倍倍频器。当倍频器为二倍倍频器时，存储器存储的标准数字表示发生变化，相应的正确的当前数字表示也同步发生变化。

其中，存储器包括：第一寄存器与第二寄存器，第一寄存器与比较器连接。第一寄存器用于存储稳定状态下旋转编码器1输出脉冲信号的标准数字表示，第二寄存器用于存储当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败的总次数。

脉冲计数器包括：第一脉冲计数器与第二脉冲计数器，第一脉冲计数器用于记录倍频器12输出的脉冲个数，第二脉冲计数器与比较器连接用于记录连续模式匹配失败期间的当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败的次数，并根据操作规则将其记录的失败次数累加进第二寄存器中。

计算单元包括：第一计时器、第二计时器，第一计时器、第二计时器的操作规则是：

(1)当检测到模式匹配失败时，计时器第一计时器清零、计数器第二计时器开始计时。

(2)当检测到模式匹配成功时，计时器第二计时器清零、计时器第一计时器开始计时。

因此，计时器第一计时器对应着连续模式匹配成功所持续的时间，计时器第二计时器对应着连续模式匹配失败所持续的时间。

本实施例中仅说明旋转编码器1测速系统硬件连接关系，其具体工作机理与方法，请参阅实施例1中的旋转编码器1测速方法。

需要说明的是，本发明的说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种旋转编码器测速方法，其特征在于，包括下述步骤：

接收当前状态下旋转编码器的脉冲信号，并将该脉冲信号转化为当前数字表示；

将所述当前数字表示与预存储的标准数字表示进行比较，并根据比较结果决定是否计算当前状态下旋转编码器的转动速度；

若所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功时，计算当前状态下旋转编码器的转动速度；若所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败时，则不计算当前状态下旋转编码器的转动速度。

2.根据权利要求1所述的旋转编码器测速方法，其特征在于，所述方法还包括：定义稳定状态下旋转编码器输出脉冲信号的两个标准数字表示，所述两个标准数字表示对应于旋转编码器的两个脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的旋转编码器测速方法，其特征在于，记录所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功的次数，当所述匹配成功的次数达到预设定阈值次数时，计算所述旋转编码器转动速度。

4.根据权利要求3所述的旋转编码器测速方法，其特征在于，所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功时，记录匹配成功的持续时间；

所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败时，记录匹配失败的持续时间。

5.根据权利要求4所述的旋转编码器测速方法，其特征在于，通过两个计时器分别记录所述匹配成功的持续时间和匹配失败的持续时间。

6.根据权利要求5所述的旋转编码器测速方法，其特征在于，读取所述匹配成功的持续时间，将该所述匹配成功的持续时间作为计算旋转编码器转动速度的一个参数。

7.根据权利要求6所述的旋转编码器测速方法，其特征在于，记录所述匹配失败的次数；

通过比较不同时间内记录的匹配失败的次数，以判定旋转编码器的作业环境的优劣程度。

8.一种旋转编码器测速系统，其特征在于，包括：

旋转编码器，用于将机械转动状态转化为脉冲信号；

存储器，用于存储稳定状态下旋转编码器输出脉冲信号的标准数字表示；

倍频器，用于接收当前状态下旋转编码器的脉冲信号，并将该脉冲信号转化为当前数字表示；

比较器，用于将所述当前数字表示与存储的标准数字表示进行比较，并根据比较结果决定是否计算当前状态下旋转编码器的转动速度；

计算单元，用于计算旋转编码器的转动速度；

若所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功时，计算单元计算当前状态下旋转编码器的转动速度；若所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败时，计算单元不计算当前状态下旋转编码器的转动速度。

9.根据权利要求8所述的旋转编码器测速方法，其特征在于，记录所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功的次数，当所述匹配成功的次数达到预设定阈值次数时，计算所述旋转编码器转动速度。

10.根据权利要求9所述的旋转编码器测速方法，其特征在于，所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配成功时，记录匹配成功的持续时间；

所述当前数字表示与存储的标准数字表示匹配失败时，记录所述匹配失败的次数和匹配失败的持续时间。