CN109000689A - 一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法、系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法、系统，该方法包括：编码器的原始信号通过限流电阻将电流信号转换为电压信号；原始信号分为精码信号和粗码信号；精码信号和粗码信号直接进入具有AD转换器的CPU处理器中；通过CPU处理器分别测量精码信号和粗码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值和粗码二进制角度，最终换算出编码器的角度值并输出。本申请提供的上述数据处理方法并未使用放大器、比较器和锁存器，也就是本申请提供的数据处理系统在传统数据处理系统的基础上去掉了放大器、比较器和锁存器，大大地减小了数据处理系统的电路尺寸，节约了成本。

Description

一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法、系统

技术领域

本发明涉及光电轴角编码器技术领域，特别是涉及一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法、系统。

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、电为一体的精密数字测角系统。绝对式光电轴角编码器的圆形码盘上沿径向有若干条同心码道，每条码道上由透光和不透光的扇形区间组成。在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，每一个光源和光敏元件配对称为一个读数头。当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否以及光照的强弱输出不同的电流信号，该电流信号称为编码器的原始输入信号。

绝对式光电轴角编码器的数据处理系统将编码器的原始输入信号进行处理，转换为与编码器轴对应的角度信号，然后将角度信号输出或显示。绝对式光电轴角编码器数据处理系统如图1所示，编码器的原始信号包括精码信号和粗码信号，粗码信号通过限流电阻将电流信号转换为电压信号，然后进入放大器对信号进行放大，通过改变限流电阻R1的值，使放大后的信号幅度在理想范围之内，放大后的信号经过比较器将信号转换为方波信号，通过锁存器将信号传输给CPU处理器；编码器的精码信号通过限流电阻将精码信号转换为电压信号，然后进入放大器对精码信号进行放大，通过改变限流电阻R2的值，使放大后的精码信号幅度在理想范围之内，放大后的精码信号进入AD转换电路，CPU处理器通过AD转换电路读取编码器的精码信号，将精码信号与粗码信号进行结合，得到编码器的角度信息并输出。

图1的编码器数据处理系统比较复杂，无法实现编码器的小型化，当编码器使用一段时间后或者环境改变时，编码器的原始输入信号可能会发生改变，造成放大后的精码和粗码信号偏离理想范围之外，从而使编码器的精度下降，甚至造成错码，导致编码器无法使用，所以需要定期对编码器信号进行校准。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法、系统，可以实现编码器的小型化。其具体方案如下：

一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法，包括：

编码器的原始信号通过限流电阻将电流信号转换为电压信号；所述原始信号分为精码信号和粗码信号；

转换为电压信号的精码信号和粗码信号直接进入具有AD转换器的CPU处理器中；

通过所述CPU处理器分别测量精码信号和粗码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值和粗码二进制角度，根据所述精码细分值和所述粗码二进制角度，换算出编码器的角度值并输出。

优选地，在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，测量精码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值，具体包括：

采集四路精码信号中的每一路精码信号的实际幅度值；所述四路精码信号分别为C0信号、C90信号、C180信号、C270信号；

获取每一路精码信号的幅度归一化系数值；

根据每一路精码信号的实际幅度值和幅度归一化系数值，得到每一路归一化后的精码信号；

将归一化后的C0信号和归一化后的C180信号做差得到SIN信号，归一化后的C90信号和归一化后的C270信号做差得到COS信号；

根据得到的所述SIN信号和所述COS信号，计算出编码器的精码细分值。

优选地，在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，根据得到的所述SIN信号和所述COS信号，通过以下公式计算出编码器的精码细分值：

其中，θ为所述精码细分值；ATAN为反正切函数。

优选地，在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，测量粗码信号的幅度值，计算得到编码器的粗码二进制角度，具体包括：

通过所述AD转换器采集得到每一路粗码信号的实际幅度值；所述粗码信号包括A1信号至A9信号；

获取每一路粗码信号的幅度归一化系数值；

根据每一路粗码信号的实际幅度值和幅度归一化系数值，得到每一路归一化后的粗码信号；

将归一化后的A1信号至A8信号组成一个八位二进制数，进行粗码译码后得到粗码二进制角度。

优选地，在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，根据所述精码细分值和所述粗码二进制角度，换算出编码器的角度值，具体包括：

利用归一化后的A9信号和所述精码细分值的高两位对所述粗码二进制角度进行精粗校正；

将校正后的所述粗码二进制角度与所述精码细分值合并，换算出编码器的角度值。

优选地，在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，在获取每一路精码信号和粗码信号的幅度归一化系数值之前，还包括：

判断所述编码器是否初次上电；

若是，则旋转所述编码器至少一周，计算出每一路精码信号和粗码信号的幅度归一化系数值，并存储在FLASH中；

若否，则查看FLASH里是否有存储的每一路精码信号和粗码信息的归一化系数值。

优选地，在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，在查看到FLASH里有存储的归一化系数值之后，还包括：

实时计算出每一路精码信号和粗码信号的幅度归一化系数值；

将实时计算出的幅度归一化系数值与存储的幅度归一化系数值进行比较，获取差值；

若所述差值大于设定阈值，则直接读取实时计算出的幅度归一化系数值；

若所述差值不大于设定阈值时，则直接读取存储的幅度归一化系数值。

本发明实施例还提供了一种绝对式光电轴角编码器的数据处理系统，包括：

限流电阻，用于编码器的原始信号的电流信号转换为电压信号；所述原始信号分为精码信号和粗码信号；

具有AD转换器的CPU处理器，用于在转换为电压信号的精码信号和粗码信号直接进入后，分别测量精码信号和粗码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值和粗码二进制角度，根据所述精码细分值和所述粗码二进制角度，换算出编码器的角度值并输出。

本发明所提供的一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法、系统，该方法包括：编码器的原始信号通过限流电阻将电流信号转换为电压信号；原始信号分为精码信号和粗码信号；精码信号和粗码信号直接进入具有AD转换器的CPU处理器中；通过CPU处理器分别测量精码信号和粗码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值和粗码二进制角度，最终换算出编码器的角度值并输出。本申请提供的上述数据处理方法并未使用放大器、比较器和锁存器，也就是本申请提供的数据处理系统在传统数据处理系统的基础上去掉了放大器、比较器和锁存器，大大地减小了数据处理系统的电路尺寸，节约了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法的简易流程图；

图2为本发明实施例提供的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法的简易流程图；

图4为本发明实施例提供的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法的具体流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法，如图2所示，包括以下步骤：

S201、编码器的原始信号通过限流电阻将电流信号转换为电压信号；原始信号分为精码信号和粗码信号；

S202、转换为电压信号的精码信号和粗码信号直接进入具有AD转换器的CPU处理器中；

S203、通过CPU处理器分别测量精码信号和粗码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值和粗码二进制角度，根据精码细分值和粗码二进制角度，换算出编码器的角度值并输出。

在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，首先编码器的原始信号通过限流电阻将电流信号转换为电压信号；然后转换为电压信号的精码信号和粗码信号直接进入具有AD转换器的CPU处理器中；最后通过CPU处理器(如CPU通过软件算法)分别测量精码信号和粗码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值和粗码二进制角度，最终换算出编码器的角度值并输出(可传输至上位机)。本申请提供的上述数据处理方法，如图3所示，仅使用了限流电阻和具有AD转换器的CPU处理器，并未使用放大器、比较器和锁存器，大大地减小了整个电路尺寸，节约了成本。

需要说明的是，本发明中所有原始信号的限流电阻阻值不像传统的编码器那样需要精确匹配，该系统的限流电阻阻值只需要在大致范围内即可，只需要保证所有的信号不饱和，为了保证编码器的精度，所有信号的峰值应大于饱和电压的一半。

本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法的具体流程图可参见图4进行理解。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，步骤S203测量精码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值，具体可以包括：首先采集四路精码信号中的每一路精码信号的实际幅度值；四路精码信号分别为C0信号、C90信号、C180信号、C270信号；然后获取每一路精码信号的幅度归一化系数值；之后根据每一路精码信号的实际幅度值和幅度归一化系数值，得到每一路归一化后的精码信号；随后将归一化后的C0信号(记为C0′)和归一化后的C180信号(记为C180′)做差得到SIN信号，归一化后的C90信号(记为C90′)和归一化后的C270信号(记为C270′)做差得到COS信号；最后根据得到的SIN信号和COS信号，计算出编码器的精码细分值。

需要说明的是，现有技术中传统的编码器数据处理方法需要通过精确匹配限流电阻，使C0和C180差分放大后的SIN信号的幅度为理想信号幅度，C90和C270差分放大后的COS信号的幅度也为理想信号幅度，之后再进入AD转换器；而本发明首先采集C0、C90、C180、C270各自信号的实际幅度值，之后通过归一化的方法使四路精码信号的幅度为同一幅度，此时归一化后的每一路精码信号的理想幅度值为每一路精码信号的实际幅度值乘以其幅度归一化系数。

以某一型号的16位绝对式光电编码器为例，精码信号为C0、C90、C180、C270，粗码信号为A1至A9。电阻R1至R9为粗码信号的限流电阻，电阻R10至R13为精码信号的限流电阻。所有的信号都直接进入单片机C8051F021的AD转换引脚；该单片机包括CPU处理器。

为了计算方便，所有精码信号的归一化后幅度值都为-1024～1024，即归一化后所有信号的峰值都为1024，所有信号的谷值都为-1024，信号以0为中心。编码器旋转时，单片机实际测得信号的幅度最小值为A，最大值为B，则该信号的实际幅度值为(B-A)/2，该信号是以(B+A)/2为中心的。在实际工作时，假如实际测得该信号在某位置的电压值为x，则归一化后的信号电压值为y，其对应关系如式(1)：

为了防止信号溢出，如果测得的电压值大于B，则归一化后的电压值直接等于1024，如果测得的电压值小于A，则归一化后的电压值直接等于-1024，其他值则用公式(1)计算归一化后的电压值。每一路精码信号都有其对应的峰值电压B和谷值电压A，该值也称为精码信号的幅度归一化系数。

其中归一化后的C0信号(记为C0′)和归一化后的C180信号(记为C180′)做差得到SIN信号，归一化后的C90信号(记为C90′)和归一化后的C270信号(记为C270′)做差得到COS信号，该信号相当于传统编码器的精码信号经过差分放大器放大后形成的两路正交信号SIN和COS。

进一步地，根据得到的SIN信号和COS信号，通过以下公式(2)计算出编码器的精码细分值：

其中，θ为精码细分值；ATAN为反正切函数。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，步骤S203测量粗码信号的幅度值，计算得到编码器的粗码二进制角度，具体可以包括：首先通过AD转换器采集得到每一路粗码信号的实际幅度值；粗码信号包括A1信号至A9信号；然后获取每一路粗码信号的幅度归一化系数值；之后根据每一路粗码信号的实际幅度值和幅度归一化系数值，得到每一路归一化后的粗码信号；最后将归一化后的A1信号至A8信号(记为A1′至A8′)组成一个八位二进制数，进行粗码译码后得到粗码二进制角度。

需要说明的是，对于粗码信号，也有其对应的幅度归一化系数。归一化后的每一路粗码信号的理想幅度值为每一路粗码信号的实际幅度值乘以其幅度归一化系数。

编码器的粗码信号A1至A9为方波信号，编码器转动时，测得其信号的峰值电压为B1，谷值电压为B2，通过以下公式(3)计算该信号的中心电压：

由于粗码信号是二值化信号，在实际测得粗码信号的电压时，如果粗码信号的幅度大于A，则该粗码信号二值化后的数值为1，否则，则二值化后的数值为0。A即为该粗码信号的幅度归一化系数，每一路粗码信号都有其对应的幅度归一化系数。

更进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，步骤S203根据精码细分值和粗码二进制角度，换算出编码器的角度值，具体可以包括：首先利用归一化后的A9信号(记为A9′)和精码细分值的高两位对粗码二进制角度进行精粗校正；然后将校正后的粗码二进制角度与精码细分值合并，换算出编码器的角度值。

另外，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理方法中，在获取每一路精码信号和粗码信号的幅度归一化系数值之前，还可以包括：判断编码器是否初次上电；若是，则旋转编码器至少一周，计算出每一路精码信号和粗码信号的幅度归一化系数值，并存储在FLASH中，以保证下次上电时该数值可以直接读取；若否，则查看FLASH里是否有存储的每一路精码信号和粗码信息的归一化系数值，进而判断之后是否直接读取该归一化系数值。当然，若外界环境未发生变化时，在查看到FLASH里有存储的归一化系数值之后，可以直接读取存储的归一化系数值。需要注意的是，CPU处理器在对信号进行采样的时候如果编码器没有旋转一周，也会得到一个峰谷值，得到的这个峰谷值不作为最终的峰谷值信号，而会一直判断编码器是否旋转一个完整的周期，如果旋转一个完整的周期则得到的峰谷值作为最终的峰谷值信号存起来。

但是，当外界环境发生变化时，有可能导致编码器的精码信号或粗码信号的幅度发生改变，此时编码器每一路信号的归一化系数值有可能发生改变，因此，在编码器正常工作时，时刻记录编码器的精码信号和粗码信号的幅度值，在查看到FLASH里有存储的归一化系数值之后，还可以包括：实时计算出每一路精码信号和粗码信号的幅度归一化系数值；将实时计算出的幅度归一化系数值与存储的幅度归一化系数值进行比较，获取差值；若差值大于设定阈值，则直接读取实时计算出的幅度归一化系数值；若差值不大于设定阈值时，则直接读取存储的幅度归一化系数值，防止由于频繁的改变编码器的归一化系数值而导致编码器输出的角度值不稳定，进而当外界环境变化时，采用本发明的编码器仍能保持较高的精度，可以适应各种恶劣环境，并且不需要对编码器进行定期的检定，大大节约人工成本。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种绝对式光电轴角编码器的数据处理系统，由于该数据处理系统解决问题的原理与前述一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法相似，因此该数据处理系统的实施可以参见绝对式光电轴角编码器的数据处理方法的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的绝对式光电轴角编码器的数据处理系统，具体包括：

限流电阻，用于编码器的原始信号的电流信号转换为电压信号；原始信号分为精码信号和粗码信号；

具有AD转换器的CPU处理器，用于在转换为电压信号的精码信号和粗码信号直接进入后，分别测量精码信号和粗码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值和粗码二进制角度，根据精码细分值和粗码二进制角度，换算出编码器的角度值并输出。

在本发明实施例提供的上述绝对式光电轴角编码器的数据处理系统中，在传统数据处理系统的基础上去掉了放大器、比较器和锁存器，仅通过上述限流电阻和具有AD转换器的CPU处理器的相互作用就可以输出编码器的角度值，大大地减小了数据处理系统的电路尺寸，节约了成本。

关于上述CPU处理器更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

本发明实施例提供的一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法、系统，该方法包括：编码器的原始信号通过限流电阻将电流信号转换为电压信号；原始信号分为精码信号和粗码信号；精码信号和粗码信号直接进入具有AD转换器的CPU处理器中；通过CPU处理器分别测量精码信号和粗码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值和粗码二进制角度，最终换算出编码器的角度值并输出。本申请提供的上述数据处理方法并未使用放大器、比较器和锁存器，也就是本申请提供的数据处理系统在传统数据处理系统的基础上去掉了放大器、比较器和锁存器，大大地减小了数据处理系统的电路尺寸，节约了成本。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法、系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种绝对式光电轴角编码器的数据处理方法，其特征在于，包括：

编码器的原始信号通过限流电阻将电流信号转换为电压信号；所述原始信号分为精码信号和粗码信号；

转换为电压信号的精码信号和粗码信号直接进入具有AD转换器的CPU处理器中；

通过所述CPU处理器分别测量精码信号和粗码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值和粗码二进制角度，根据所述精码细分值和所述粗码二进制角度，换算出编码器的角度值并输出。

2.根据权利要求1所述的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法，其特征在于，测量精码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值，具体包括：

采集四路精码信号中的每一路精码信号的实际幅度值；所述四路精码信号分别为C0信号、C90信号、C180信号、C270信号；

获取每一路精码信号的幅度归一化系数值；

根据每一路精码信号的实际幅度值和幅度归一化系数值，得到每一路归一化后的精码信号；

将归一化后的C0信号和归一化后的C180信号做差得到SIN信号，归一化后的C90信号和归一化后的C270信号做差得到COS信号；

根据得到的所述SIN信号和所述COS信号，计算出编码器的精码细分值。

3.根据权利要求2所述的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法，其特征在于，根据得到的所述SIN信号和所述COS信号，通过以下公式计算出编码器的精码细分值：

其中，θ为所述精码细分值；ATAN为反正切函数。

4.根据权利要求3所述的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法，其特征在于，测量粗码信号的幅度值，计算得到编码器的粗码二进制角度，具体包括：

通过所述AD转换器采集得到每一路粗码信号的实际幅度值；所述粗码信号包括A1信号至A9信号；

获取每一路粗码信号的幅度归一化系数值；

根据每一路粗码信号的实际幅度值和幅度归一化系数值，得到每一路归一化后的粗码信号；

将归一化后的A1信号至A8信号组成一个八位二进制数，进行粗码译码后得到粗码二进制角度。

5.根据权利要求4所述的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法，其特征在于，根据所述精码细分值和所述粗码二进制角度，换算出编码器的角度值，具体包括：

利用归一化后的A9信号和所述精码细分值的高两位对所述粗码二进制角度进行精粗校正；

将校正后的所述粗码二进制角度与所述精码细分值合并，换算出编码器的角度值。

6.根据权利要求5所述的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法，其特征在于，在获取每一路精码信号和粗码信号的幅度归一化系数值之前，还包括：

判断所述编码器是否初次上电；

若是，则旋转所述编码器至少一周，计算出每一路精码信号和粗码信号的幅度归一化系数值，并存储在FLASH中；

若否，则查看FLASH里是否有存储的每一路精码信号和粗码信息的归一化系数值。

7.根据权利要求6所述的绝对式光电轴角编码器的数据处理方法，其特征在于，在查看到FLASH里有存储的归一化系数值之后，还包括：

实时计算出每一路精码信号和粗码信号的幅度归一化系数值；

将实时计算出的幅度归一化系数值与存储的幅度归一化系数值进行比较，获取差值；

若所述差值大于设定阈值，则直接读取实时计算出的幅度归一化系数值；

若所述差值不大于设定阈值时，则直接读取存储的幅度归一化系数值。

8.一种绝对式光电轴角编码器的数据处理系统，其特征在于，包括：

限流电阻，用于编码器的原始信号的电流信号转换为电压信号；所述原始信号分为精码信号和粗码信号；

具有AD转换器的CPU处理器，用于在转换为电压信号的精码信号和粗码信号直接进入后，分别测量精码信号和粗码信号的幅度值，计算得到编码器的精码细分值和粗码二进制角度，根据所述精码细分值和所述粗码二进制角度，换算出编码器的角度值并输出。