CN107152904A - 一种磁栅尺数显系统 - Google Patents
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Abstract
一种磁栅尺数显系统，包括：磁栅定尺；磁栅尺读数头，基于电磁转换原理输出电信号A+、A‑、B+、B‑、Z+、Z‑；信号处理电路，用于将所述磁栅尺读头的输出信号进行差分信号处理转换成方波信号A、B和Z，其中，所述A、B信号周期相同且相位相差90度，所述Z信号的周期是A信号或者B信号的四倍；CPLD或者FPGA，用于根据A、B信号的跳转状态判断出移动方向，以及对A、B信号进行四倍频处理后得到C脉冲，根据C脉冲数以及磁栅尺读数头的分辨率计算位移，以及根据Z脉冲数计算当前位置的误差并进行校准；显示屏；单按键。本发明基于CPLD或者FPGA对信号进行四倍频处理，提高了测量的精度；进一步的，提供显示屏和单按键的多种操作，方便测试人员设置和观测。
Description
技术领域
本发明涉及位置测量系统，尤其涉及一种磁栅尺数显系统。
背景技术
随着数控技术的发展，对位置测量系统的精度和实时性要求越来越高。在数控系统的位移测量中，使用较为广泛的位移传感器是光栅尺和磁栅尺，都可用作直线位移或角位移检测。
目前，相较于光栅尺，磁栅尺读数头是全密封设计，具有测量范围长、分辨率范围大、响应快等特点，同时具有较强的抗振动和抗冲击能力，可用在较恶劣的环境下使用，而受其分辨率和位移的极限速度的影响，数显表的刷新频率和测量的精度以及系统的实时性都有较大的限制，对测量工作人员造成不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种磁栅尺数显系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种磁栅尺数显系统，包括：
磁栅定尺；
磁栅尺读数头，基于电磁转换原理输出电信号A+、A-、B+、B-、Z+、Z-；
信号处理电路，用于将所述磁栅尺读头的输出信号进行差分信号处理转换成方波信号A、B和Z，其中，所述A、B信号周期相同且相位相差90度，所述Z信号的周期是A信号或者B信号的四倍；
CPLD或者FPGA，用于根据A、B信号的跳转状态判断出移动方向，以及对A、B信号进行四倍频处理后得到C脉冲，根据C脉冲数以及磁栅尺读数头的分辨率计算位移，以及根据Z脉冲数计算当前位置的误差并进行校准；
显示屏，用于实时显示移动方向、位移、速度；
单按键，用于切换系统的工作模式。
在本发明所述的磁栅尺数显系统中，所述CPLD或者FPGA包括：信号处理模块、辨向模块、可逆计数器模块、显示控制模块以及按键控制模块；
辨向模块,用于根据当前A、B信号的状态和上一时钟A、B信号的状态识别位移方向；
信号处理模块,用于对A、B信号进行四倍频处理产生C脉冲，使得每个A、B信号均对应4个C脉冲，根据可逆计数器模块反馈的C脉冲数以及磁栅尺读数头的分辨率计算位移，以及根据Z脉冲数计算当前位置的误差并进行校准；
可逆计数器模块，采用24位可逆计数器对C脉冲进行可逆计数；
显示控制模块，用于控制显示屏的显示信息；
按键控制模块，用于对单按键按下的时间进行识别根据识别结果切换系统的工作模式。
在本发明所述的磁栅尺数显系统中，所述系统的工作模式包括正常模式和设置模式，所述识别结果包括单击、双击、长按3s的按键操作；
如果在正常模式下单击按键，则按键控制模块控制暂停显示屏的显示，再次单击按键则控制显示屏继续运行刷新数据；如果在设置模式下单击按键可触发按键控制模块设置显示屏数据刷新频率；
如果在正常模式下如果长按3s按键，则按键控制模块控制对当前位移进行清零操作；
如果在正常模式下双击按键，则按键控制模块控制进入设置模式，再次双击按键则按键控制模块控制进入正常模式。
在本发明所述的磁栅尺数显系统中，所述辨向模块识别位移方向包括：若A信号在上升沿时B信号为低电平或者A信号在下降沿时B信号为高电平，则为正向移动；若A信号在上升沿时B信号为高电平或者A信号在下降沿时B信号为低电平，则为反向移动。
在本发明所述的磁栅尺数显系统中，所述信号处理模块计算位移包括：基于公式Y＝Num*Res计算位移的绝对值，其中，Num代表C脉冲数，Res代表磁栅尺读数头的分辨率，单位为um，Y代表位移的绝对值，单位为um。
在本发明所述的磁栅尺数显系统中，磁栅尺读数头的分辨率为20um，磁极距为2mm。
在本发明所述的磁栅尺数显系统中，磁栅定尺和磁栅尺读数头之间的安装距离大于0.1mm且小于0.6mm。
实施本发明的磁栅尺数显系统，具有以下有益效果：本发明基于CPLD或者FPGA对信号进行处理，并且针对A、B信号进行四倍频处理后得到C脉冲，再根据C脉冲数以及磁栅尺读数头的分辨率计算位移，因此提高了测量的精度；进一步的，提供显示屏显示移动方向、位移、速度，同时提供单按键识别单击、双击、长按3s来进行暂停、设置、清零操作，方便测试人员观测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明磁栅尺数显系统的结构示意图；
图2是磁栅尺读数头输出的电信号A+、A-、B+、B-、Z+、Z-的示意图；
图3是信号处理电路由图2中的电信号转换成的方波信号A、B和Z的示意图；
图4是对A、B信号进行四倍频处理后得到C脉冲的示意图；
图5是根据A、B信号的跳转状态判断出移动方向的具体实施例的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，是本发明磁栅尺数显系统的结构示意图。
本发明的磁栅尺数显系统包括：磁栅定尺、磁栅尺读数头、信号处理电路、CPLD、显示屏、单按键。
磁栅尺读数头，基于电磁转换原理输出电信号A+、A-、B+、B-、Z+、Z-，如图2所示。
信号处理电路，连接磁栅尺读数头，用于将所述磁栅尺读头的输出信号进行差分信号处理转换成方波信号A、B和Z，如图3所述。
例如，可以采用差分信号接收器MC3486对输出信号进行查分信号处理。其中，所述A、B信号周期相同且相位相差90度，所述Z信号的周期是A信号或者B信号的四倍。当磁栅尺读数头每次读到N、S极转换时，会产生一个窄脉冲，这个信号就是Z信号，即参考信号或标识信号，主要用于设置零位或消除积累误差，一般情况下也可不用。
CPLD，也可以用FPGA替代，连接信号处理电路，用于根据A、B信号的跳转状态判断出移动方向，以及对A、B信号进行四倍频处理后得到C脉冲，如图4所示，C脉冲A、B信号的频率的四倍，即一个A、B信号产生4个C脉冲。根据C脉冲数以及磁栅尺读数头的分辨率计算位移，以及根据Z脉冲数计算当前位置的误差并进行校准。
CPLD可根据用户需求自行构造逻辑电路实现所需功能，具有编程灵活、集成度高、设计性强等特点，CPLD的时钟频率可达100MHz，非常适合高速数据采集处理。另外该模块也可在FPGA上实现，而FPGA的时钟频率可达200MHz。
显示屏，连接CPLD，用于实时显示移动方向、位移、速度；方便工作人员进行观察。
单按键，连接CPLD，用于切换系统的工作模式。优选的采用轻触按键。
其中，选用磁栅尺读数头型号参数要求的安装距离为0.1到1mm。因为磁栅的工作原理是电磁转换，且空气的磁阻较大，所以为保证磁栅尺读数头有较强的电信号输出，磁栅定尺和磁栅尺读数头之间的间隙应尽可能小。而磁栅尺读数头是安装在滑台上的，是运动的，两者之间又不能挤压接触。综合各方面考虑，两者间的安装距离优选的应小于0.6mm。
具体实施例中，磁栅尺读数头的分辨率为20um，磁极距为2mm。由于磁栅尺读数头采用的型号是BOGEN公司的IKS8，按工业标准EIA-422-A输出信号，这两个参数是由其决定的。磁极距为2mm，即每隔2mm就有一个N、S极的转换，即每运动2mm就会产生一个Z信号脉冲。比如在运动开始时，采集到第一个Z脉冲时，设置为零点，计数为0，这个叫置零位。当运动一段距离后，可以利用Z脉冲数来计算当前位置的误差，从而进行校准。
具体的，所述CPLD包括：信号处理模块、辨向模块、可逆计数器模块、显示控制模块以及按键控制模块；
辨向模块,用于根据当前A、B信号的状态和上一时钟A、B信号的状态识别位移方向；
信号处理模块,用于对A、B信号进行四倍频处理，使得每个A、B信号均对应4个C脉冲，根据可逆计数器模块反馈的C脉冲数以及磁栅尺读数头的分辨率计算位移，以及根据Z脉冲数计算当前位置的误差并进行校准；
可逆计数器模块，采用24位可逆计数器对C脉冲进行可逆计数。其中，可逆计数器是一个可以+1也可以-1处理的计数器。
一般的是计数器只做加法，不做减法，加到一定数值后从0开始。因为磁栅尺读数头的位置可以正向运动也可以反向运动，利用可逆计数器实现正向加反向减，可快速方便的计算出当前距离原点的位置。
由于CPLD设置计数器都默认是8的倍数，如果设置成16位，即2^16＝65536，换算实际能测量的距离只有1.3米多。而一般的滑台距离都在1.6m+。所以本实施例中选用的是24位可逆计数器。
显示控制模块，用于控制显示屏的显示信息；
按键控制模块，用于对单按键按下的时间进行识别根据识别结果切换系统的工作模式。
所述系统的工作模式包括正常模式和设置模式，按键控制模块对所述单按键的识别结果包括单击、双击、长按3s的按键操作；
如果在正常模式下单击按键，则按键控制模块控制暂停显示屏的显示，再次单击按键则显示屏继续运行刷新数据；如果在设置模式下单击按键可触发按键控制模块设置显示屏数据刷新频率，一把包括5Hz、10Hz、20Hz。
如果在正常模式下如果长按3s按键，则按键控制模块控制对当前位移进行清零操作；
如果在正常模式下双击按键，则按键控制模块控制进入设置模式，再次双击按键则按键控制模块控制进入正常模式。
其中，所述辨向模块识别位移方向包括：若A信号在上升沿时B信号为低电平或者A信号在下降沿时B信号为高电平，则为正向移动；若A信号在上升沿时B信号为高电平或者A信号在下降沿时B信号为低电平，则为反向移动。
例如，如图5所示，圈圈里的两个值分别代表A和B信号的电平，当A/B状态跳转为(0/0)→(1/0)→(1/1)→(0/1)时，其移动方向为正方向；当A/B状态跳转(0/0)→(0/1)→(1/1)→(1/0)，其移动方向为反方向。
在没做细分或倍频之前，一个A或B信号周期测量的距离为一个位移量。利用A、B信号产生4倍频后，即一个A信号周期上经过倍频产生了四个脉冲信号C。一个C信号脉冲所代表的距离就是1/4个位移量。厂商提供的分辨率一般都是按照A、B信号周期的四倍提供的，也就是说1/4个位移量的实际距离就是分辨率的距离20um。一个C信号脉冲代表的距离就是20um，当采集到50个C信号脉冲就是1mm。因此进行倍频处理后，可提高计算精度。
综上所述，实施本发明的磁栅尺数显系统，具有以下有益效果：本发明基于CPLD或者FPGA对信号进行处理，并且针对A、B信号进行四倍频处理后得到C脉冲，再根据C脉冲数以及磁栅尺读数头的分辨率计算位移，因此提高了测量的精度；进一步的，提供显示屏显示移动方向、位移、速度，同时提供单按键识别单击、双击、长按3s来进行暂停、设置、清零操作，方便测试人员观测。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种磁栅尺数显系统，其特征在于，包括：
磁栅定尺；
磁栅尺读数头，基于电磁转换原理输出电信号A+、A-、B+、B-、Z+、Z-；
信号处理电路，用于将所述磁栅尺读头的输出信号进行差分信号处理转换成方波信号A、B和Z，其中，所述A、B信号周期相同且相位相差90度，所述Z信号的周期是A信号或者B信号的四倍；
CPLD或者FPGA，用于根据A、B信号的跳转状态判断出移动方向，以及对A、B信号进行四倍频处理后得到C脉冲，根据C脉冲数以及磁栅尺读数头的分辨率计算位移，以及根据Z脉冲数计算当前位置的误差并进行校准；
显示屏，用于实时显示移动方向、位移、速度；
单按键，用于切换系统的工作模式。
2.根据权利要求1所述的磁栅尺数显系统，其特征在于，所述CPLD或者FPGA包括：信号处理模块、辨向模块、可逆计数器模块、显示控制模块以及按键控制模块；
辨向模块,用于根据当前A、B信号的状态和上一时钟A、B信号的状态识别位移方向；
信号处理模块,用于对A、B信号进行四倍频处理产生C脉冲，使得每个A、B信号均对应4个C脉冲，根据可逆计数器模块反馈的C脉冲数以及磁栅尺读数头的分辨率计算位移，以及根据Z脉冲数计算当前位置的误差并进行校准；
可逆计数器模块，采用24位可逆计数器对C脉冲进行可逆计数；
显示控制模块，用于控制显示屏的显示信息；
按键控制模块，用于对单按键按下的时间进行识别根据识别结果切换系统的工作模式。
3.根据权利要求2所述的磁栅尺数显系统，其特征在于，所述系统的工作模式包括正常模式和设置模式，所述识别结果包括单击、双击、长按3s的按键操作；
如果在正常模式下单击按键，则按键控制模块控制暂停显示屏的显示，再次单击按键则控制显示屏继续运行刷新数据；如果在设置模式下单击按键可触发按键控制模块设置显示屏数据刷新频率；
如果在正常模式下如果长按3s按键，则按键控制模块控制对当前位移进行清零操作；
如果在正常模式下双击按键，则按键控制模块控制进入设置模式，再次双击按键则按键控制模块控制进入正常模式。
4.根据权利要求2所述的磁栅尺数显系统，其特征在于，所述辨向模块识别位移方向包括：若A信号在上升沿时B信号为低电平或者A信号在下降沿时B信号为高电平，则为正向移动；若A信号在上升沿时B信号为高电平或者A信号在下降沿时B信号为低电平，则为反向移动。
5.根据权利要求2所述的磁栅尺数显系统，其特征在于，所述信号处理模块计算位移包括：基于公式Y＝Num*Res计算位移的绝对值，其中，Num代表C脉冲数，Res代表磁栅尺读数头的分辨率，单位为um，Y代表位移的绝对值，单位为um。
6.根据权利要求1所述的磁栅尺数显系统，其特征在于，磁栅尺读数头的分辨率为20um，磁极距为2mm。
7.根据权利要求1所述的磁栅尺数显系统，其特征在于，磁栅定尺和磁栅尺读数头之间的安装距离大于0.1mm且小于0.6mm。
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