CN115046573A - 一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置及方法涉及光电位移精密测量技术领域，解决了现有信号处理电路体积大，成本高，电路设计复杂和信号处理时间长的缺点。本发明采用微处理器内部集成的电压比较模块处理矩阵式绝对光电编码器的粗码，节省了整形电路和外置ADC电路，直接通过软件读取电压比较模块中断的结果节省了粗码信号处理时间，微处理器的电压比较模块处理信号的时间仅需要一个机器周期，远小于ADC采集的时间。无其余电路，大幅度的减小额外的功耗，缩小处理电路的体积，降低硬件电路成本。同时，增加参考电压监测电路设计，实时监测确保参考电压满足要求。而数字电位计的电路设计，可通过软件设置阻值，替代电阻匹配，节省时间，提高效率。

Description

一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置及方法
技术领域
本发明涉及光电位移精密测量技术领域，具体涉及一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置及方法。
背景技术
光电编码器又称为光电角位置传感器，是一种集光、机、电一体的数字测角装置。是将旋转角位置、角位移及角速度等物理量转换成电信号的位移传感器。矩阵码式绝对光电编码器可在任意时刻进行角度测量，得到的测量结果为绝对位置数据，且抗干扰能力强、上电或掉电后无数据丢失，而被广泛应用。
目前主要的矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置有两种，其一，将粗码信号整形后送给微处理器(MCU、DSP和FPGA)，精码信号通过微处理器本身自带的或外置的ADC采集进入微处理器，在微处理器内部进行计算；其二，精码和粗码信号均通过ADC采集的方式进入微处理器，然后进行数据处理，但这种方式因微处理本身无自带ADC，如：FPGA；或通道数不够，如：MCU和DSP，一般只有16通道ADC，需要外挂ADC。如果ADC通道数多于16，则该微处理的封装变大或变复杂，处理电路的体积随之增大，且不容易焊接。第一种方式需要硬件的整形电路，第二种方式需要外置ADC电路或选择大封装的微处理器，且所有信号均通过ADC采集进入微处理器，所需时间长。这两种方式均存在、硬件体积大和成本高的缺点。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置及方法，解决了现有信号处理电路体积大，成本高，电路设计复杂和信号处理时间长的缺点。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置，该装置包括：发光二极管、码盘、光电接收二极管和上级系统；还包括：处理电路；所述发光二极管和接收二极管分别位于码盘两侧，发光二极管发出的光经过转动的码盘，光电接收二极管接收到码盘上码道的图案信号，分成将粗码、中精码和精码由处理电路处理，计算出所述码盘上码道的角度信号，发送给上级系统。
优选的，所述处理电路包括：数字电位计、基准电压电路、微处理器和串口通信电路；所述数字电位计将接收的12路粗码电流信号的高电平转换成3倍的基准电压信号；所述基准电压电路生成基准电压信号，两种电压信号同时传输至所述微处理器中，所述微处理器实时监测基准电压信号，通过所述基准电压电路调整所述基准电压信号的大小；通过所述微处理器对基准电压信号和粗码信号的比较和译码，得到12位粗码；所述数字电位计将接收的8路中精码和8路精码电流信号转换成直流偏置电压相等电压信号，通过所述微处理器对其进行放大、模数转换并采集，将12位粗码、8路中精码和8路精码细分和校正连接，通过串口通信电路发送至上级系统。
优选的，所述基准电压电路包括：电压补偿模块和低压差线性稳压器；所述低压差线性稳压器生成基准电压信号，发送至所述微处理器中，所述微处理器实时监测基准电压，通过所述电压补偿模块对所述基准电压的电压值进行调整。
优选的，所述低压差线性稳压器输出的所述基准电压的电压值通过所述低压差线性稳压器的电阻和所述电压补偿模块的电阻决定。
优选的，所述微处理器包括：电压比较模块、电压检测模块、信号放大模块、AD采集模块、数据处理模块和通信模块；所述电压比较模块比较12路粗码电压信号和基准电压信号的大小；所述电压检测模块检测基准电压的电压值；所述信号放大模块对8路中精码和8路精码电压信号进行放大，通过AD采集模块对8路中精码和8路精码电压信号进行转换采集，所述数据处理模块对12路粗码电压信号、8路中精码电压信号和8路精码电压信号细分和校正连接，通过所述通信模块发送。
优选的，所述发光二极管为指示光栅。
优选的，所述码盘通过机械轴承由电机带动。
一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置的处理方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：检测所述低压差线性稳压器生成的基准电压信号值，当所述基准电压信号值不满足阈值要求时，通过调整所述电压补偿模块的阻值调整基准电压信号值的大小；当所述基准电压信号值满足阈值要求时，将所述基准电压信号发送至电压比较模块中；
步骤二：设置所述数字电位计的阻值，将所述12路粗码电流信号转换成12路粗码电压信号，当所述12路粗码电压信号不满足电压3倍的基准电压信号时，调整所述数字电位计的阻值；当所述12路粗码电压信号满足电压3倍的基准电压信号时，将所述12路粗码电压信号发送至电压比较模块中；
步骤三：所述电压比较模块比较所述基准电压信号和所述12路粗码电压信号，当所述12路粗码电压信号大于所述基准电压信号，被识别成1；反之则被识别成0，可获得12位粗码电压信号，对其进行译码即得到12位粗码数字信号；
Figure BDA0003694821370000031
其中Vcoarsecod为12路粗码模拟信号，Vref为基准电压信号；
步骤四：设置所述数字电位计的阻值，将所述8路中精码和精码电流信号转换成8路中精码和精码电压信号，所述信号放大模块对8路中精码和8路精码电压信号进行放大，通过AD采集模块对8路中精码和8路精码电压信号进行转换采集；
步骤五：所述数据处理模块将8路中精码数字信号和8路精码数字信号细分，然后对8路中精码数字信号和8路精码数字信号进行一次校正，得到的数据再与所述译码后的12位粗码数字信号校正衔接，得到码盘码道上的二进制角度信号，通过通信接口发送给上级系统。
优选的，步骤一中所述低压差线性稳压器生成基准电压信号值为：
Vref＝V(1+R2/R1)+IADJR2
其中，V为低压差线性稳压器的固定电压，IADJ为低压差线性稳压器的固定电流，R2为所述低压差线性稳压器的固定电阻，R1为所述电压补偿模块的阻值。
优选的，步骤一中的要求为Vref的阈值范围为：Vmin≤Vref≤Vmax；当Vref的波动小于100mV，即|Vmax-Vmin|≤100mV，则认为Vref满足要求。
优选的，所述电压比较模块可由微处理器中自带的波形捕获功能替代。
优选的，所述低压差线性稳压器可由电阻分压实现。
本发明的有益效果是：本发明采用微处理器内部集成的电压比较功能处理矩阵式绝对光电编码器的粗码，在电路设计上节省了整形电路和外置ADC电路，处理方法上直接软件读取电压比较器中断的结果节省了粗码信号处理时间，微处理器的电压比较器处理信号的时间仅需要一个机器周期，远小于ADC采集的时间。在电路工作时只要微处理工作即可无其余电路，这样的设计可以大幅度的减小额外的功耗，缩小处理电路的体积，降低硬件电路成本。同时，增加参考电压监测电路设计，实时监测确保参考电压满足要求。而数字电位计的电路设计，可通过软件设置阻值，替代电阻匹配，节省时间，提高效率。
附图说明
图1本发明一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置的结构图。
图2本发明原始粗码信号波形图。
图3本发明整形后粗码信号波形图。
图4本发明一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置的硬件电路结构图。
图5本发明一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置，该装置包括：发光二极管、码盘、光电接收二极管和上级系统；还包括：处理电路；所述发光二极管和接收二极管分别位于码盘两侧，发光二极管发出的光经过转动的码盘，光电接收二极管接收到码盘上码道的图案信号，将12路粗码、8路中精码和8路精码由处理电路处理，计算出所述码盘上码道的角度信号，发送给上级系统。本实施例中，所述码盘通过机械轴承由电机带动。所述发光二极管为指示光栅。
其中，粗码图案波形理论上是方波信号，精码和中精码则产生莫尔条纹信号，即正余弦信号。由于码盘图案及指示光栅发出的光有发散角及杂散光等原因，粗码图案形成的信号，并非标准方波信号，如图2所示，因此，需要将粗码信号整形成标准方波信号，即12路粗码数字信号，如图3所示。精码图案形成的正余弦信号，直流偏置电压也不相等，需要将所有精码信号直流偏置电压调为一致。
如图4所示，所述处理电路包括：数字电位计、基准电压电路、微处理器和串口通信电路；所述数字电位计将接收的12路粗码电流信号的高电平转换成3倍的基准电压信号；所述基准电压电路生成基准电压信号，两种电压信号同时传输至所述微处理器中，所述微处理器实时监测基准电压信号，通过所述基准电压电路调整所述基准电压信号的大小；通过所述微处理器对基准电压信号和粗码信号的比较和译码，得到12位粗码；所述数字电位计将接收的8路中精码和8路精码电流信号转换成直流偏置电压相等信号，通过所述微处理器对其进行放大、模数转换并采集、细分和连接校正，通过串口通信电路和通信接口发送至上级系统。
其中，所述基准电压电路包括：电压补偿模块和低压差线性稳压器；所述低压差线性稳压器生成基准电压信号，发送至所述微处理器中，所述微处理器实时监测基准电压，通过所述电压补偿模块对所述基准电压的电压值进行调整。所述低压差线性稳压器输出的所述基准电压的电压值通过所述低压差线性稳压器的电阻和所述电压补偿模块的电阻决定。
所述微处理器包括：电压比较模块、电压检测模块、信号放大模块、AD采集模块、数据处理模块和通信模块；所述电压比较模块比较12路粗码电压信号和基准电压信号的大小；所述电压检测模块检测基准电压的电压值；所述信号放大模块对8路中精码和8路精码电压信号进行放大，通过AD采集模块对8路中精码和8路精码电压信号进行转换和采集，所述数据处理模块对12路粗码电压信号、8路中精码电压信号和8路精码电压信号细分和连接校正，通过所述通信模块发送至所述串口通信电路中。
其中，所述电压比较模块可由微处理器中自带的波形捕获功能替代；所述低压差线性稳压器可由电阻分压实现。
如图5所示，一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置的处理方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：发光二极管发出的光经过转动的码盘，光电接收二极管接收到码盘上码道的图案信号，分成12路粗码、8路中精码和8路精码由处理电路处理。
所述低压差线性稳压器生成基准电压信号，当所述基准电压信号值不满足阈值要求时，通过调整电压补偿模块的阻值调整基准电压信号值的大小；当所述基准电压信号值满足阈值要求时，将所述基准电压信号发送至电压比较模块中；
其中，基准电压信号值Vref的阈值范围为：Vmin≤Vref≤Vmax；当Vref的波动小于100mV，即|Vmax-Vmin|≤100mV，则认为Vref满足要求；Vmax为最大电压信号值，Vmin为最小电压信号值。
所述低压差线性稳压器生成基准电压信号值为：
Vref＝V(1+R2/R1)+IADJR2
其中，V为低压差线性稳压器的固定电压，IADJ为低压差线性稳压器的固定电流，R2为所述低压差线性稳压器的固定电阻，R1为电压补偿模块的阻值。
步骤二：设置所述数字电位计的阻值，将所述12路粗码电流信号转换成12路粗码电压信号，当所述12路粗码电压信号的高电平不满足电压3倍的基准电压信号时，调整所述数字电位计的阻值；当所述12路粗码电压信号的高电平满足电压3倍的基准电压信号时，将所述12路粗码电压信号发送至电压比较模块中；
步骤三：所述电压比较模块比较所述基准电压信号和所述12路粗码电压信号，当所述12路粗码电压信号大于所述基准电压信号，被识别成1；反之则被识别成0，可获得12位粗码电压信号，对其进行译码即得到12位粗码数字信号；
Figure BDA0003694821370000061
其中Vcoarsecod为12路粗码模拟电压信号，Vref为基准电压信号；
步骤四：设置所述数字电位计的阻值，将所述8路中精码和精码电流信号转换成8路中精码和精码电压信号，所述信号放大模块对8路中精码和8路精码电压信号进行放大，通过AD采集模块对8路中精码和8路精码电压信号进行转换采集；
步骤五：所述数据处理模块将8路中精码数字信号和8路精码数字信号细分，然后对8路中精码数字信号和8路精码数字信号进行一次校正，得到的数据再与所述译码后的12位粗码数字信号校正衔接，得到码盘码道上的二进制角度信号通过通信接口发送给上级系统。

Claims (10)

1.一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置，该装置包括：发光二极管、码盘、光电接收二极管和上级系统；其特征在于，还包括：处理电路；所述发光二极管和接收二极管分别位于码盘两侧，发光二极管发出的光经过转动的码盘，光电接收二极管接收到码盘上码道的图案信号，分成将粗码、中精码和精码由处理电路处理，计算出所述码盘上码道的角度信号，发送给上级系统。
2.根据权利要求1所述的一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置，其特征在于，所述处理电路包括：数字电位计、基准电压电路、微处理器和串口通信电路；所述数字电位计将接收的12路粗码电流信号的高电平转换成3倍的基准电压信号；所述基准电压电路生成基准电压信号，两种电压信号同时传输至所述微处理器中，所述微处理器实时监测基准电压信号，通过所述基准电压电路调整所述基准电压信号的大小；通过所述微处理器对基准电压信号和粗码信号的比较和译码，得到12位粗码；所述数字电位计将接收的8路中精码和8路精码电流信号转换成直流偏置电压相等电压信号，通过所述微处理器对其进行放大、模数转换并采集，将12位粗码、8路中精码和8路精码细分和校正连接，通过串口通信电路发送至上级系统。
3.根据权利要求2所述的一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置，其特征在于，所述基准电压电路包括：电压补偿模块和低压差线性稳压器；所述低压差线性稳压器生成基准电压信号，发送至所述微处理器中，所述微处理器实时监测基准电压，通过所述电压补偿模块对所述基准电压的电压值进行调整。
4.根据权利要求3所述的一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置，其特征在于，所述低压差线性稳压器输出的所述基准电压的电压值通过所述低压差线性稳压器的电阻和所述电压补偿模块的电阻决定。
5.根据权利要求2所述的一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置，其特征在于，所述微处理器包括：电压比较模块、电压检测模块、信号放大模块、AD采集模块、数据处理模块和通信模块；所述电压比较模块比较12路粗码电压信号和基准电压信号的大小；所述电压检测模块检测基准电压的电压值；所述信号放大模块对8路中精码和8路精码电压信号进行放大，通过AD采集模块对8路中精码和8路精码电压信号进行转换采集，所述数据处理模块对12路粗码电压信号、8路中精码电压信号和8路精码电压信号细分和校正连接，通过所述通信模块发送。
6.基于权利要求1-5任一项所述的一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置的处理方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：检测所述低压差线性稳压器生成的基准电压信号值，当所述基准电压信号值不满足阈值要求时，通过调整所述电压补偿模块的阻值调整基准电压信号值的大小；当所述基准电压信号值满足阈值要求时，将所述基准电压信号发送至电压比较模块中；
步骤二：设置所述数字电位计的阻值，将所述12路粗码电流信号转换成12路粗码电压信号，当所述12路粗码电压信号不满足电压3倍的基准电压信号时，调整所述数字电位计的阻值；当所述12路粗码电压信号满足电压3倍的基准电压信号时，将所述12路粗码电压信号发送至电压比较模块中；
步骤三：所述电压比较模块比较所述基准电压信号和所述12路粗码电压信号，当所述12路粗码电压信号大于所述基准电压信号，被识别成1；反之则被识别成0，可获得12位粗码电压信号，对其进行译码即得到12位粗码数字信号；
Figure FDA0003694821360000021
其中Vcoarsecod为12路粗码模拟信号，Vref为基准电压信号；
步骤四：设置所述数字电位计的阻值，将所述8路中精码和精码电流信号转换成8路中精码和精码电压信号，所述信号放大模块对8路中精码和8路精码电压信号进行放大，通过AD采集模块对8路中精码和8路精码电压信号进行转换采集；
步骤五：所述数据处理模块将8路中精码数字信号和8路精码数字信号细分，然后对8路中精码数字信号和8路精码数字信号进行一次校正，得到的数据再与所述译码后的12位粗码数字信号校正衔接，得到码盘码道上的二进制角度信号通过通信接口发送给上级系统。
7.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，步骤一中所述低压差线性稳压器生成基准电压信号值为：
Vref＝V(1+R2/R1)+IADJR2
其中，V为低压差线性稳压器的固定电压，IADJ为低压差线性稳压器的固定电流，R2为所述低压差线性稳压器的固定电阻，R1为所述电压补偿模块的阻值。
8.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，步骤一中的要求为Vref的阈值范围为：Vmin≤Vref≤Vmax；当
Figure FDA0003694821360000031
的波动小于100mV，即|Vmax-Vmin|≤100mV，则认为Vref满足要求。
9.根据权利要求5所述的一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置，其特征在于，所述电压比较模块可由微处理器中自带的波形捕获功能替代。
10.根据权利要求4所述的一种矩阵码式绝对光电编码器信号处理装置，其特征在于，所述低压差线性稳压器可由电阻分压实现。
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