CN112097803A - 一种增量式编码器信号识别系统及识别方法 - Google Patents

一种增量式编码器信号识别系统及识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增量式编码器信号识别系统及识别方法，其中，增量式编码器信号识别系统用于识别增量式编码器的转动方向，包括单片机、AD转换模块、第一光敏模块、第二光敏模块和判向电路，第一光敏模块和第二光敏模块均与判向电路的输入端连接，判向电路的输出端通过AD转换模块和单片机连接。在识别转动方向时，第一光敏模块和第二光敏模块产生点脉冲输出信号，并将其传递至判向电路，之后采集判向电路的实时输出电压，将实时输出电压经AD转换模块之后传递至单片机，单片机根据实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向；相较于传统技术，本发明通过用单线读取实时输出电压代替常规两线I0口，节省了控制芯片的引脚。

Description

一种增量式编码器信号识别系统及识别方法
技术领域
本发明属于增量式编码器技术领域，具体涉及一种增量式编码器信号识别系统及识别方法。
背景技术
增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小；其广泛应用在电梯、工业机器人、自动化设备、钢铁行业、印刷机械、医疗器械等行业。
然而，如图1所示，传统的增量式编码器采用两线IO口读取方式，在控制芯片引脚资源紧缺的情况下，若占用两个IO口用于读取编码器信息，就很难兼顾到。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种增量式编码器信号识别系统，通过采集判向电路的实时输出电压，结合预设的电压时序判断增量式编码器的转动方向，实现了增量式编码器单线读取的方式，解决了传统的占用两个IO口读取编码器信息而造成引脚紧缺的问题。
本发明还公开一种增量式编码器信号识别方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种增量式编码器信号识别系统，用于识别增量式编码器的转动方向，其包括单片机、AD转换模块、第一光敏模块、第二光敏模块以及判向电路，所述第一光敏模块和第二光敏模块设置在增量式编码器内部且和判向电路的输入端连接，所述判向电路的输出端通过AD转换模块和单片机连接；
增量式编码器工作，所述第一光敏模块和第二光敏模块产生点脉冲输出信号，并将其传递至判向电路，之后采集判向电路的实时输出电压，将所述实时输出电压经AD转换模块之后传递至单片机，单片机根据所述实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向。
优选地，所述判向电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5，所述第一电阻R1的一端接电源Vcc，所述第一电阻R1的另一端和第三电阻R3的一端连接，所述第三电阻R3的另一端分别和第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端连接，所述第五电阻R5的另一端接地，所述第四电阻R4的另一端和第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端和电源Vcc连接；
其中，所述第一电阻R1与所述第三电阻R3的公共连接端作为所述判向电路的一输入端与第一光敏模块连接，所述第二电阻R2与所述第四电阻R4的公共连接端作为所述判向电路的另一输入端与第二光敏模块连接。
优选地，所述第一光敏模块包括第一光敏三极管Q1，所述第一光敏三极管Q1的发射极与第一电阻R1和第三电阻R3的公共连接端相连，所述第一光敏三极管Q31的集电极一路接地，另一路和所述第五电阻R5连接。
优选地，所述第二光敏模块包括第二光敏三极管Q2，所述第二光敏三极管Q2的发射极与第二电阻R2和第四电阻R4的公共连接端相连，所述第二光敏三极管Q2的集电极一路接地，另一路和所述第五电阻R5连接
优选地，所述判向电路的实时输出电压为：第一回路和/或第二回路的电压，所述第一回路为第三电阻R3、第一光敏三极管Q1和第五电阻R5连接形成的回路，所述第二回路为第四电阻R4、第二光敏三极管Q2和第五电阻R5连接形成的回路。
优选地，所述预设在单片机内的电压时序包括增量式编码器正转和反转时对应的电压时序。
一种增量式编码器信号识别方法，其应用上述的增量式编码器信号识别系统，具体按照如下步骤实施：
S1，第一光敏模块和第二光敏模块产生点脉冲输出信号，并将其传递至判向电路；
S2，间隔固定时间采集判向电路的实时输出电压，并将所述实时输出电压经AD转换模块之后传递至单片机；
S3，所述单片机根据所述实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向。
优选地，所述S3中单片机根据所述实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向，具体为：
当实时输出电压与预设在单元机内的正转电压时序匹配时，则判定增量式编码器为正转；
当实时输出电压与预设在单元机内的反转电压时序匹配时，则判定增量式编码器为反转。
优选地，所述预设在单元机内的正转电压时序为：
电压的变化依次为为VB、VN、VA、VS、VB；
所述预设在单元机内的反转电压时序为：
电压的变化依次为为VS、VA、VN、VB、VS；
其中，VN为第一光敏模块和第二光敏模块均断路时判向电路的实时输出电压；
VS为第一光敏模块和第二光敏模块均短路时判向电路的实时输出电压；
VA为第一光敏模块导通，第二光敏模块截止时判向电路的实时输出电压；
VB为第一光敏模块截止，第二光敏模块导通时判向电路的实时输出电压。
优选地，该信号识别方法进一步包括：
当所述实时输出电压和预设在单片机内的电压时序不匹配时，所述增量式编码器信号识别系统进行报警。
优选地，所述S3中，当实时输出电压至少采集五次后，才将其与预设的电压时序进行匹配。
优选地，所述固定时间为1-16毫秒。
与现有技术相比，本发明的增量式编码器信号识别系统在识别转动方向时，第一光敏模块和第二光敏模块产生点脉冲输出信号，并将其传递至判向电路，之后采集判向电路的实时输出电压，将实时输出电压经AD转换模块之后传递至单片机，单片机根据实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向；即相较于传统技术，本发明通过用单线读取实时输出电压代替常规两线I0口，节省了控制芯片的引脚。
附图说明
图1是背景技术中传统的增量式编码器转动方向读取电路；
图2是本发明实施例1提供一种增量式编码器信号识别系统的系统框图；
图3是本发明实施例1提供一种增量式编码器信号识别系统中判向电路的电路图；
图4是本发明实施例1提供一种增量式编码器信号识别系统中增量式编码器正转时对应的电压时序图。
图5是本发明实施例2提供一种增量式编码器信号识别方法的流程图。
其中，1.单片机，2.AD转换模块，3.第一光敏模块，4.第二光敏模块，5.判向电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明实施例1提供一种增量式编码器信号识别系统，用于识别增量式编码器的转动方向，如图2所示，其包括单片机1、AD转换模块2、第一光敏模块3、第二光敏模块4以及判向电路5，所述第一光敏模块3和第二光敏模块4设置在增量式编码器内部且和判向电路5的输入端连接，所述判向电路5的输出端通过AD转换模块2和单片机1连接；
这样，采用上述结构，增量式编码器工作时，设置在增量式编码器码盘边缘的光源随码盘转动，使设置在码盘另一边缘的第一光敏模块3和第二光敏模块4接收明暗变化的光线，进而产生点脉冲输出信号，并将其传递至判向电路5，之后通过采集判向电路5的实时输出电压，将所述实时输出电压经AD转换模块2之后传递至单片机1，单片机1根据所述实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向。
在其中一个实施例中，如图3所示，所述判向电路5包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5，所述第一电阻R1的一端接电源Vcc，所述第一电阻R1的另一端和第三电阻R3的一端连接，所述第三电阻R3的另一端分别和第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端连接，所述第五电阻R5的另一端接地，所述第四电阻R4的另一端和第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端和电源Vcc连接；
其中，所述第一电阻R1与所述第三电阻R3的公共连接端作为所述判向电路5的一输入端与第一光敏模块3连接，所述第二电阻R2与所述第四电阻R4的公共连接端作为所述判向电路5的另一输入端与第二光敏模块4连接。
所述第一光敏模块3包括第一光敏三极管Q1，所述第一光敏三极管Q1的发射极与第一电阻R1和第三电阻R3的公共连接端相连，所述第一光敏三极管Q1的集电极一路接地，另一路和所述第五电阻R5连接。
所述第二光敏模块4包括第二光敏三极管Q2，所述第二光敏三极管Q2的发射极与第二电阻R2和第四电阻R4的公共连接端相连，所述第二光敏三极管Q2的集电极一路接地，另一路和所述第五电阻R5连接；
所述判向电路5的实时输出电压为：第一回路和/或第二回路的电压，所述第一回路为第三电阻R3、第一光敏三极管Q1和第五电阻R5连接形成的回路，所述第二回路为第四电阻R4、第二光敏三极管Q2和第五电阻R5连接形成的回路；
众所周知，增量式编码器包括光源、码盘、光敏元件、放大整形、脉冲输出，在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝隙(分为透明和不透明部分)，在开缝码盘两边分别安装光源及光敏元件；当码盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就产生一次光线的明暗变化，再经整形放大，可以得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号，脉冲数就等于转过的缝隙数；将该脉冲信号送到计数器中去进行计数，从测得的数码数就能知道码盘转过的角度。
为了判断旋转方向，需要采用两套光电转换装置(即第一光敏模块3和第二光敏模块4)，通过比较两套光电转换装置产生信号的前后顺序判别编码器的正转和反转；
为了比较两套光电转换装置产生信号的前后顺序，传统的技术如图1所示，通过读取MCU-A和MCU-B处的电平信号来进行判断，很明显，因为需要读取两处的电平信号，因此必须占用两个IO接口；
而本实施例中，仅需读取第一回路和/或第二回路处(MCU-AD处)的电压即可实现判断，具体地：
当第一光敏模块3和第二光敏模块4都接收不到信号时，相当于第一光敏模块3和第二光敏模块4均断路，此时，MCU-AD处的电压值通过公式(1)计算：
VN＝Vcc*R5/[R5+(R1+R3)*(R2+R4)/(R1+R3+R2+R4)] (1)
当第一光敏模块3和第二光敏模块4都接收到信号时，相当于第一光敏模块3和第二光敏模块4都短路，MCU-AD处的电压值VS＝0；
当第一光敏模块3接收到信号，而第二光敏模块4接收不到信号时，MCU-AD处的电压值通过公式(2)计算：
VA＝Vcc*[R3*R5/(R3+R5)]/{R2+R4+[R3*R5/(R3+R5)]} (2)
当第二光敏模块4收到信号，而第一光敏模块3收不到信号时，MCU-AD处的电压值通过公式(3)计算：
VB＝Vcc*[R4*R5/(R4+R5)]/{R1+R3+[R4*R5/(R4+R5)]} (3)
由此可见，随着第一光敏模块3和第二光敏模块4状态的变化，MCU-AD处的电压值也跟随变化，因此，我们提前将不同状态下的电压值通过AD转换模块2转换成单片机1可以识别的高低电平，并将增量式编码器正转和反转对应的电平变化存储在单片机1中，之后单片机1根据所述实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向。
所述预设在单片机1内的电压时序包括增量式编码器正转和反转时对应的电压时序；
预设的电压时序具体为，如图4所示，当需要预设增量式编码器正转对应的电压时序时：先给出增量式编码器正转时，第一光敏模块3和第二光敏模块4的输出波形，再将两者的波形重叠即可；图中的OFF和ON分别代表第一光敏模块3和第二光敏模块4的截止以及导通，截止时接收不到信号，导通时可以接收到信号。
实施例2
本发明实施例2提供一种增量式编码器信号识别方法，如图5所示，其应用实施例1所述的增量式编码器信号识别系统，具体按照如下步骤实施：
S1，第一光敏模块3和第二光敏模块4产生点脉冲输出信号，并将其传递至判向电路5；
具体地，增量式编码器工作时，设置在增量式编码器码盘边缘的光源随码盘转动，使设置在码盘另一边缘的第一光敏模块3和第二光敏模块4接收明暗变化的光线，进而产生点脉冲输出信号，并将其传递至判向电路5；
S2，间隔固定时间采集判向电路5的实时输出电压，并将所述实时输出电压经AD转换模块2之后传递至单片机1；
其中，所述固定时间为1-16毫秒，避免间隔时间太短而造成同一输出电压采集两个，也避免间隔时间太长造成遗漏中间的数据；
S3，所述单片机1根据所述实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向，具体为：
当实时输出电压与预设在单元机1内的正转电压时序匹配时，则判定增量式编码器为正转；
当实时输出电压与预设在单元机1内的反转电压时序匹配时，则判定增量式编码器为反转；
当所述实时输出电压和预设在单片机1内的电压时序不匹配时，所述增量式编码器信号识别系统进行报警。
这样，本实施例通过判向电路5的实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向，其相较于传统的转动方向识别方法，可以节省IO接口。
在具体实施例中，所述预设在单元机1内的正转电压时序为：
电压的变化依次为为VB、VN、VA、VS、VB；
所述预设在单元机1内的反转电压时序为：
电压的变化依次为为VS、VA、VN、VB、VS；
其中，VN为第一光敏模块3和第二光敏模块4均断路时判向电路5的实时输出电压；
VS为第一光敏模块3和第二光敏模块4均短路时判向电路5的实时输出电压；
VA为第一光敏模块3导通，第二光敏模块4截止时判向电路5的实时输出电压；
VB为第一光敏模块3截止，第二光敏模块4导通时判向电路5的实时输出电压；
这样，本实施例根据不同的转动方向对应的第一光敏模块3和第二光敏模块4的状态，将正转和反转对应的标准电压时序预设在单片机内，之后进行匹配即可。
另外，还需要说明的是：所述S3中，当实时输出电压至少采集五次后，才将其与预设的电压时序进行匹配；
这样做的意义在于：预设在单元机1内的正转电压时序为：电压的变化依次为为VB、VN、VA、VS、VB；所述预设在单元机1内的反转电压时序为：电压的变化依次为为VS、VA、VN、VB、VS；无论是正转还是反转，其一个周期均为四个数据，但为了确保第一个周期结束之后，第二个周期即将开始，因此，至少采集五个数据。
另外，在本实施例中，因为判向电路5中电子元器件(电阻)的参数存在公差，因此采集的实时输出电压，要根据实际情况允许一定的公差，所以在比对计算所得的电压值VN、VS、VA、VB时，也应该将公差考虑进去；但如果实时输出电压超过公差范围，就说明判向电路5存在故障，则所述增量式编码器信号识别系统进行报警。
本实施例采用单线读取增量式编码器的转动方向，通过给判向电路配置不同的电阻参数，读取实时输出电压，根据实时输出电压的变化间接反应第一光敏模块和第二光敏模块相位差的关系，进而确定增量式编码器的转动方向。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种增量式编码器信号识别系统，其特征在于，用于识别增量式编码器的转动方向，其包括单片机(1)、AD转换模块(2)、第一光敏模块(3)、第二光敏模块(4)以及判向电路(5)，所述第一光敏模块(3)和第二光敏模块(4)设置在增量式编码器内部且和判向电路(5)的输入端连接，所述判向电路(5)的输出端通过AD转换模块(2)和单片机(1)连接；
增量式编码器工作，所述第一光敏模块(3)和第二光敏模块(4)产生点脉冲输出信号，并将其传递至判向电路(5)，之后采集判向电路(5)的实时输出电压，将所述实时输出电压经AD转换模块(2)之后传递至单片机(1)，单片机(1)根据所述实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向。
2.根据权利要求1所述的一种增量式编码器信号识别系统，其特征在于，所述判向电路(5)包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5，所述第一电阻R1的一端接电源Vcc，所述第一电阻R1的另一端和第三电阻R3的一端连接，所述第三电阻R3的另一端分别和第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端连接，所述第五电阻R5的另一端接地，所述第四电阻R4的另一端和第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端和电源Vcc连接；
其中，所述第一电阻R1与所述第三电阻R3的公共连接端作为所述判向电路(5)的一输入端与第一光敏模块(3)连接，所述第二电阻R2与所述第四电阻R4的公共连接端作为所述判向电路(5)的另一输入端与第二光敏模块(4)连接。
3.根据权利要求2所述的一种增量式编码器信号识别系统，其特征在于，所述第一光敏模块(3)包括第一光敏三极管Q1，所述第一光敏三极管Q1的发射极与第一电阻R1和第三电阻R3的公共连接端相连，所述第一光敏三极管Q1的集电极一路接地，另一路和所述第五电阻R5连接。
4.根据权利要求3所述的一种增量式编码信号识别系统，其特征在于，所述第二光敏模块(4)包括第二光敏三极管Q2，所述第二光敏三极管Q2的发射极与第二电阻R2和第四电阻R4的公共连接端相连，所述第二光敏三极管Q2的集电极一路接地，另一路和所述第五电阻R5连接。
5.根据权利要求4所述的一种增量式编码器信号识别系统，其特征在于，所述判向电路(5)的实时输出电压为：第一回路和/或第二回路的电压，所述第一回路为第三电阻R3、第一光敏三极管Q1和第五电阻R5连接形成的回路，所述第二回路为第四电阻R4、第二光敏三极管Q2和第五电阻R5连接形成的回路。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种增量式编码器信号识别系统，其特征在于，所述预设在单片机(1)内的电压时序包括增量式编码器正转和反转时对应的电压时序。
7.一种增量式编码器信号识别方法，其特征在于，其应用权利要求1-6任一项所述的增量式编码器信号识别系统，具体按照如下步骤实施：
S1，第一光敏模块(3)和第二光敏模块(4)产生点脉冲输出信号，并将其传递至判向电路(5)；
S2，间隔固定时间采集判向电路(5)的实时输出电压，并将所述实时输出电压经AD转换模块(2)之后传递至单片机(1)；
S3，所述单片机(1)根据所述实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向。
8.根据权利要求7所述的一种增量式编码器信号识别方法，其特征在于，所述S3中单片机(1)根据所述实时输出电压和预设的电压时序之间的关系判断增量式编码器的转动方向，具体为：
当实时输出电压与预设在单元机(1)内的正转电压时序匹配时，则判定增量式编码器为正转；
当实时输出电压与预设在单元机(1)内的反转电压时序匹配时，则判定增量式编码器为反转。
9.根据权利要求8所述的一种增量式编码器信号识别方法，其特征在于，所述预设在单元机(1)内的正转电压时序为：
电压的变化依次为为VB、VN、VA、VS、VB；
所述预设在单元机(1)内的反转电压时序为：
电压的变化依次为为VS、VA、VN、VB、VS；
其中，VN为第一光敏模块(3)和第二光敏模块(4)均断路时判向电路(5)的实时输出电压；
VS为第一光敏模块(3)和第二光敏模块(4)均短路时判向电路(5)的实时输出电压；
VA为第一光敏模块(3)导通，第二光敏模块(4)截止时判向电路(5)的实时输出电压；
VB为第一光敏模块(3)截止，第二光敏模块(4)导通时判向电路(5)的实时输出电压。
10.根据权利要求7-9任一项所述的一种增量式编码器信号识别方法，其特征在于，该信号识别方法进一步包括：
当所述实时输出电压和预设在单片机(1)内的电压时序不匹配时，所述增量式编码器信号识别系统报警。
11.根据权利要求10所述的一种增量式编码器信号识别方法，其特征在于，所述S3中，
当实时输出电压至少采集五次后，才将其与预设的电压时序进行匹配。
12.根据权利要求7所述的一种增量式编码器信号识别方法，其特征在于，所述固定时间为1-16毫秒。
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