CN106950429A - 一种位置信号快速解码方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种位置信号快速解码方法及系统，方法包括：选择用来测量的两路脉冲信号结合得到采样脉冲信号，并将其接入主控芯片中；主控芯片对采样脉冲信号校正计算采样脉冲时间间隔和脉冲数量；根据脉冲数量和相邻脉冲时间间隔，通过牛顿‑拉夫逊方法进行迭代计算，得出脉冲频率和速度。系统包括脉冲信号处理单元、校正计算单元和迭代计算单元。本发明通过将脉冲信号进行结合，能将脉冲边沿数量放大一倍，从而降低芯片处理复杂程度和提高计时精度，特别是需要平行处理事件时能够大大降低芯片指令数量，并且结合补偿和校正方法能够同时提高脉冲频率的计数精度，大大提高计算的准确度。本发明可广泛应用于集成电路领域中。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种位置信号快速解码方法及系统。
背景技术
现有技术中利用专用的大规模集成电路比如FPGA和CPLD等逻辑门阵芯片进行处理光电信号的，一般通过某些运算得到这些脉冲信号的频率，但是在一些应用中这些芯片需要与其他芯片配合工作，引起成本增加。
另外一种常用现有技术是DSP或者ARM芯片的捕获口（捕捉口）进行运算，但是该缺点比较明显：脉冲信号频率很低（低于100Hz）时，容易丢失脉冲信号或者引起大量运算占用很多运算指令周期，这在时间关键系统中容易引起时间不够分配，从而引起计算失效。
最后一种最为常用的现有技术是DSP与可编程逻辑门阵配合使用：包括DSP与FPGA并行计算、DSP与CPLD并行计算。该方案避免了占用主控芯片过多时间，但硬件成本随之明显上升。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能减少计算，并提高计算准确性的一种位置信号快速解码方法及系统。
本发明所采取的技术方案是：
一种位置信号快速解码方法，包括以下步骤：
选择用来测量的两路脉冲信号，并将该两路脉冲信号进行硬件缓冲之后，接入到异或门电路中进行电压调节之后结合得到采样脉冲信号，并将其接入主控芯片中；
主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获，并校正计算采样脉冲时间间隔和脉冲数量；
根据脉冲数量和相邻脉冲时间间隔，通过牛顿-拉夫逊方法进行迭代计算，得出脉冲频率和速度。
作为所述的一种位置信号快速解码方法的进一步改进，所述的主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获，并校正计算采样脉冲时间间隔和脉冲数量，这一步骤具体包括：
主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获并计数，得到脉冲数量Δn；
根据脉冲信号，计算得到时间校正值Δtc；
根据时间校正值Δtc，计算得到校正后的采样脉冲时间间隔Δt；
根据校正后的采样脉冲时间间隔，得出校正后的脉冲数量Δn。
作为所述的一种位置信号快速解码方法的进一步改进，所述时间校正值Δtc的计算方式为：
将当前周倩的采样脉冲信号与最接近周期信号的采样脉冲信号进行对比，得出时间校正值Δtc。
作为所述的一种位置信号快速解码方法的进一步改进，所述主控芯片包括但不限于DSP、ARM、FPGA或CPLD。
作为所述的一种位置信号快速解码方法的进一步改进，所述速度的计算公式为：V=Kl*Δn/Δt；
其中，Kl表示电机计算系数。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种位置信号快速解码系统，包括：
脉冲信号处理单元，用于选择用来测量的两路脉冲信号，并将该两路脉冲信号进行硬件缓冲之后，接入到异或门电路中进行电压调节之后结合得到采样脉冲信号，并将其接入主控芯片中；
校正计算单元，用于主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获，并校正计算采样脉冲时间间隔和脉冲数量；
迭代计算单元，用于根据脉冲数量和相邻脉冲时间间隔，通过牛顿-拉夫逊方法进行迭代计算，得出脉冲频率和速度。
作为所述的一种位置信号快速解码系统的进一步改进，所述的校正计算单元具体包括：
捕获计数单元，用于主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获并计数，得到脉冲数量Δn；
时间校正单元，用于根据脉冲信号，计算得到时间校正值Δtc；
时间间隔计算单元，用于根据时间校正值Δtc，计算得到校正后的采样脉冲时间间隔Δt；
计数校正单元，用于根据校正后的采样脉冲时间间隔，得出校正后的脉冲数量Δn。
作为所述的一种位置信号快速解码系统的进一步改进，所述时间校正值Δtc的计算方式为：
将当前周倩的采样脉冲信号与最接近周期信号的采样脉冲信号进行对比，得出时间校正值Δtc。
作为所述的一种位置信号快速解码系统的进一步改进，所述速度的计算公式为：V=Kl*Δn/Δt；
其中，Kl表示电机计算系数。
本发明的有益效果是：
本发明一种位置信号快速解码方法及系统通过将脉冲信号进行结合，能将脉冲边沿数量放大一倍，从而降低芯片处理复杂程度和提高计时精度，特别是需要平行处理事件时能够大大降低芯片指令数量，并且结合补偿和校正方法能够同时提高脉冲频率的计数精度，大大提高计算的准确度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明一种位置信号快速解码方法的步骤流程图；
图2是本发明一种位置信号快速解码方法中校正计算的步骤流程图；
图3是本发明一种位置信号快速解码系统的模块方框图,；
图4是本发明实施例的应用原理图；
图5是本发明实施例的第一种硬件连接原理图；
图6是本发明实施例的第二种硬件连接原理图；
图7是现有技术之中单颗处理器芯片处理的示意图；
图8是现有技术之中两颗处理器芯片处理的示意图。
具体实施方式
参考图1，本发明一种位置信号快速解码方法，包括以下步骤：
选择用来测量的两路脉冲信号，并将该两路脉冲信号进行硬件缓冲之后，接入到异或门电路中进行电压调节之后结合得到采样脉冲信号，并将其接入主控芯片中；
主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获，并校正计算采样脉冲时间间隔和脉冲数量；
根据脉冲数量和相邻脉冲时间间隔，通过牛顿-拉夫逊方法进行迭代计算，得出脉冲频率和速度。
进一步作为优选的实施方式，所述主控芯片包括但不限于DSP、ARM、FPGA或CPLD，本领域人员可以使用具有捕获脉冲边沿信号功能的芯片或者集成电路作为主控芯片，加入异或门电路和其他必要的附属元器件，组成硬件方案，而且异或门电路的具体结构可根据实际情况进行调整。将脉冲信号进行异或操作后得到倍频的脉冲信号，得到的倍频信号不仅防干扰防错功能而且能将光电频率提高一倍。
本实施例中，在运动控制系统或者测量系统中，将两路相位差90°的脉冲信号或者三角函数信号接入到异或门电路中得到倍频的脉冲信号，可以根据需要改变该脉冲信号的电压幅值，将该倍频的脉冲信号接入到具有捕获脉冲边沿信号的芯片或者集成电路中，倍频后能够明显降低低频时的芯片数据处理量。根据设计的算法，运算出高精度宽范围的脉冲或者三角函数的产生速度值。
对比图7和图8中的现有技术通常做法是将同一路的脉冲信号进行捕获，本发明使用两路信号结合后的脉冲信号，利用倍频后的脉冲时间间隔更短，能将脉冲边沿数量放大一倍，从而降低芯片处理复杂程度和提高计时精度，特别是需要平行处理事件时能够大大降低芯片指令数量，结合本发明提出的补偿和校正的方法能够同时提高脉冲频率的计数精度。通过理论计算和试验验证，相对现有技术方案，该方案计算脉冲速度的复杂度大幅明显降低，并且准确度明显提高。试验应用之一采用2000线的光电编码器，可以快速实现0.001RPM（rotation per minute）的计算精度。
参考图2，进一步作为优选的实施方式，所述的主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获，并校正计算采样脉冲时间间隔和脉冲数量，这一步骤具体包括：
主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获并计数，得到脉冲数量Δn；
根据脉冲信号，计算得到时间校正值Δtc；
根据时间校正值Δtc，计算得到校正后的采样脉冲时间间隔Δt；
根据校正后的采样脉冲时间间隔，得出校正后的脉冲数量Δn。
进一步作为优选的实施方式，所述时间校正值Δtc的计算方式为：
将当前周倩的采样脉冲信号与最接近周期信号的采样脉冲信号进行对比，得出时间校正值Δtc。
假如在采样运算周期内捕获不足两个脉冲沿，当连续捕获零个脉冲边沿，则需要加入预先设计好的时间校正值。根据过去时刻的信号，预测推理得到两个脉冲之间的校正值，该校正是基于过往信号的预测，并且是对编码器非线性的校正。利用已收到的脉冲与当前时刻的脉冲进行比较，它们的差值即作为补偿计算，该补偿具有多种方法，但不局限于利用已收到脉冲与当前时刻的脉冲，比如还可以利用已收到脉冲预测得到补偿值或者选取某些特殊脉冲作为补偿值的数据来源。本实施例中采用最接近周期信号的采样脉冲信号作为补偿值来源。
进一步作为优选的实施方式，所述速度的计算公式为：V=Kl*Δn/Δt；
其中，Kl表示电机计算系数。
参考图4～图6，本发明实施例中，以DSP、ARM或者FPGA等具有捕获脉冲边沿信号功能的芯片或者集成电路作为主控芯片，加入异或门器件和其他必要的附属元器件，组成硬件方案，其具体实施例如下：
S1. 以C2000系列的DSP芯片为例，将硬件处理后得到的信号输入到芯片其中一个的计数功能口，启动外设捕获脉冲并计数，得到的脉冲数量Δn作为速度V的计算，根据脉冲数量Δn对应的时间间隔作为速度V的分母计算数字量。那么速度：V=Kl*Δn/Δt，其中Kl是电机计算的系数：Kl=（编码器总脉冲N）/（Δt的时间标量s）。其脉冲频率计算方法是单位脉冲的速度计算；
S2. 利用信号数量Δn段内的脉冲进行对Δt进行校正计算，时间校正值Δtc计算方法包括利用上一周期的信号数量和当前周期的信号进行计算补偿校正值，其值依赖于选择的信号，如果该信号靠近周期信号那么其值Δtc精度越高，一般情况下是DSP等处理器的计时器的时间运算，经过对比和差化计算得到Δtc。然后通过Δt=Δt+Δtc，由于分母的误差对速度计算结果准确度影响非常明显，所以经过补偿校正后的时间刻度值能够大大提高速度计算准确度。根据实时处理的情况，与该补偿对应地对Δn进行校正处理操作；
S3. 将原始脉冲信号直接输入到芯片的能够判断脉冲发生方向的功能口，该口是为了辨识速度方向；
S4. 将得到的Δn和Δt数据应用于牛顿-拉夫逊方法除法运算速度，对牛顿-拉夫逊方法计算进行20次的迭代得到高精度的速度；
S5. 根据需要不断更新Δn和Δt数据、时间校正值Δtc，同时反复进行S1~S4步骤，即可以实时测算脉冲频率和速度。
参考图3，本发明一种位置信号快速解码系统，包括：
脉冲信号处理单元，用于选择用来测量的两路脉冲信号，并将该两路脉冲信号进行硬件缓冲之后，接入到异或门电路中进行电压调节之后结合得到采样脉冲信号，并将其接入主控芯片中；
校正计算单元，用于主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获，并校正计算采样脉冲时间间隔和脉冲数量；
迭代计算单元，用于根据脉冲数量和相邻脉冲时间间隔，通过牛顿-拉夫逊方法进行迭代计算，得出脉冲频率和速度。
进一步作为优选的实施方式，所述的校正计算单元具体包括：
捕获计数单元，用于主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获并计数，得到脉冲数量Δn；
时间校正单元，用于根据脉冲信号，计算得到时间校正值Δtc；
时间间隔计算单元，用于根据时间校正值Δtc，计算得到校正后的采样脉冲时间间隔Δt；
计数校正单元，用于根据校正后的采样脉冲时间间隔，得出校正后的脉冲数量Δn。
进一步作为优选的实施方式，所述时间校正值Δtc的计算方式为：
将当前周倩的采样脉冲信号与最接近周期信号的采样脉冲信号进行对比，得出时间校正值Δtc。
作为所述的一种位置信号快速解码系统的进一步改进，所述速度的计算公式为：V=Kl*Δn/Δt；
其中，Kl表示电机计算系数。
从上述内容可知，本发明的突出优点是：硬件成本低，实现脉冲计算的速度/频率计算快捷。其根本原因在于代替解决了软件上需要的复杂处理，在保证信号完整性的同时对信号实现快速处理。这也意味着，本发明的计算简单，该特征非常适用于低成本方案和对计算量有要求的应用场合（例如应用于电动机驱动器）。
总之，本发明利用硬件异或门电路代替软件倍频，大大减少软件计算并降低了成本，高响应速度的异或电路能够提高计算的实时性，明显减小主控芯片CPU的计算负荷的同时降低对辅助芯片的成本要求，利用补偿校正大大提高速度或者脉冲频率计算的准确度。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种位置信号快速解码方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择用来测量的两路脉冲信号，并将该两路脉冲信号进行硬件缓冲之后，接入到异或门电路中进行电压调节之后结合得到采样脉冲信号，并将其接入主控芯片中；
主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获，并校正计算采样脉冲时间间隔和脉冲数量；
根据脉冲数量和相邻脉冲时间间隔，通过牛顿-拉夫逊方法进行迭代计算，得出脉冲频率和速度。
2.根据权利要求1所述的一种位置信号快速解码方法，其特征在于：所述的主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获，并校正计算采样脉冲时间间隔和脉冲数量，这一步骤具体包括：
主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获并计数，得到脉冲数量Δn；
根据脉冲信号，计算得到时间校正值Δtc；
根据时间校正值Δtc，计算得到校正后的采样脉冲时间间隔Δt；
根据校正后的采样脉冲时间间隔，得出校正后的脉冲数量Δn。
3.根据权利要求1所述的一种位置信号快速解码方法，其特征在于：所述主控芯片包括但不限于DSP、ARM、FPGA或CPLD。
4.根据权利要求2所述的一种位置信号快速解码方法，其特征在于：所述时间校正值Δtc的计算方式为：
将当前周倩的采样脉冲信号与最接近周期信号的采样脉冲信号进行对比，得出时间校正值Δtc。
5.根据权利要求1所述的一种位置信号快速解码方法，其特征在于：所述速度的计算公式为：V=Kl*Δn/Δt；
其中，Kl表示电机计算系数。
6.一种位置信号快速解码系统，其特征在于，包括：
脉冲信号处理单元，用于选择用来测量的两路脉冲信号，并将该两路脉冲信号进行硬件缓冲之后，接入到异或门电路中进行电压调节之后结合得到采样脉冲信号，并将其接入主控芯片中；
校正计算单元，用于主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获，并校正计算采样脉冲时间间隔和脉冲数量；
迭代计算单元，用于根据脉冲数量和相邻脉冲时间间隔，通过牛顿-拉夫逊方法进行迭代计算，得出脉冲频率和速度。
7.根据权利要求6所述的一种位置信号快速解码系统，其特征在于：所述的校正计算单元具体包括：
捕获计数单元，用于主控芯片对采样脉冲信号的脉冲边沿进行捕获并计数，得到脉冲数量Δn；
时间校正单元，用于根据脉冲信号，计算得到时间校正值Δtc；
时间间隔计算单元，用于根据时间校正值Δtc，计算得到校正后的采样脉冲时间间隔Δt；
计数校正单元，用于根据校正后的采样脉冲时间间隔，得出校正后的脉冲数量Δn。
8.根据权利要求7所述的一种位置信号快速解码系统，其特征在于：所述时间校正值Δtc的计算方式为：
将当前周倩的采样脉冲信号与最接近周期信号的采样脉冲信号进行对比，得出时间校正值Δtc。
9.根据权利要求6所述的一种位置信号快速解码系统，其特征在于：所述速度的计算公式为：V=Kl*Δn/Δt；
其中，Kl表示电机计算系数。
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