CN1613187A - 编码器自校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的电子处理装置计算并施加校准给产生拟正弦曲线正交信号的传感器。该装置包括一个或者两个固定并可编程的电子电路。该装置包括一个电路来计算与两个输入(正交)信号相应的相位和量值。该装置还包括一个来累计输入信号周期数的电路。该装置还包括一个用来产生增益，偏移和相位校准系数的电路，其中该电路把测量得到的相量的相位空间位置和理想相量的位置相比较，理想向量的相位空间轨迹是一个预定半径的圆并且没有偏移。根据编程的规则，不需要用户介入来进行系数的计算。该装置还包括根据I(I′)III公式X.＝(x.+Ox.+P；×y .)×G x，提供增益，偏移和相位校准系数给测量的正交信号X_j和Y_j的电路，其中Gx_j和Gy_j是定标y＝y .+O y .xG y .IIII系数，其中Ox_j和Oy_j是偏移系数，P_j是相位系数，其中的X_j和Y_j是校准后的正交信号。该装置还包括产生代表当前的校准后的相位的输出信号的电路。输出信号1′是一平行数字字或者是一个/多个串行的脉冲串，其中i是相应于所有测量信号中相位改变的时间上产生的脉冲的总数。输出信号被编码以允许相位减小及相位增大。

Description

编码器自校准装置和方法

交叉引用部分

本申请要求于2001年11月2日递交的临时申请60/336,038的优先权。

背景技术

编码器正变得越来越复杂并具有高的精度，其装配和对准也变得越来越严格。一些编码器是完全密封的单元且因此在工厂理想的条件下被定位和校准。另一方面，其它一些编码器例如本发明的受让人出售的编码器，以元件或者子系统的形式提供给用户。此方案有几方面的益处，但它排除了全部工厂装配/对准。因此，已经设计出了各种各样的装置来帮助用户安装和装配这种类型的编码器。

在帮助用户装配这些编码器的早期的尝试仅包括在电子装置及后随的系统写入程序中设置一组测试点。最近，在编码器电子装置中包含各种感测电路来显示正确的对准和/或告知用户关于校准调节的情况。

已有技术的对准帮助不提供自动校准特征。最好也只是给出信号强度的一般指示(例如电子正弦曲线太弱或太强)。对于较佳的操作，正交信号间的相对相位应当尽可能地接近于90°，其相对增益应使相等及其各自的偏移应被设为零。另外的可能是，这些校准操作对用户来讲应当是清楚明白的(也就是说，不要求用户进行精细的电调整)。

除了这些校准以外，现代的编码器还具有指示(或者参考)标记。每一次标尺相对于编码器头在相同位置时将产生输出的指标脉冲。对本发明来说要解决的另一个问题是必须校准指标脉冲产生系统以使在编码器测量的LSB中的在同一个标尺位置产生该指标脉冲。

发明内容

建立在处理单元中的电路系统和固件逻辑电路允许用户通过在头下简单地运行几次编码器标尺就可以快速装配编码器。连接器上的指示光通知用户关于处理器和编码器的状态。

在自校准周期期间，编码器处理器能根据放大器的增益、偏移及信号正交相位的移位来自动调整自己。另外，所公开的方法自动地将指标脉冲放置在指示窗中心附近，指示窗相对于“零位置”条纹具有1LSB重复性。另外，所公开的装置通过简单的LED显示器将其状态传达给用户，以致执行所有的这些操作都不需要外部的测试或监测装置。

另一方面，本发明提供一种校准该类型的光学编码器的方法，该编码器产生两个模拟的正交信号x、y。该方法包括产生模拟信号x、y的多个数字采样x_i、y_i的步骤，i是从1-n的整数且n大于1。该方法还包括根据下面等式产生多个校准的采样X_i、Y_i的步骤，

           X_i＝(x_i+Ox_i+P_i×y_i)×Gx_i

           Y_i＝(y_i+Oy_i)×Gy_i

其中Gx_i和Gy_i是定标系数，Ox_i和Oy_i是偏移系数，P_i是相位系数。

该方法还包括根据等式

$M_i=\sqrt{X_i^2+Y_i^2}$

${\mathrm{\φ}}_i=\mathrm{ATAN}\left[\frac{Y_i}{X_i}\right]$

产生多个量值为M_i相位φ_i的采样，其中M_i和φ_i根据等式

               V_i＝M_iexp(jφ_i)

定义相量V_i的一个采样。相量V_i可以由平面坐标系中的线段表示。该相量具有第一端和第二端。第一端落在坐标系的原点。第二端在由相对于x轴的等于相位φ_i的一角度确定的方向上距离第一端的距离等于量值M_i。该方法还包括提供定标系数Gx₁和Gy₁，偏移系数Ox_i和Oy₁，及相位系数P₁的初始值。该方法还包括调整定标系数、偏移系数及相位系数的值以使

Gx_i+1等于Gx_i或者Gx_i加上/减去一个增量的调整值，

Gy_i+1等于Gy_i或者Gy_i加上/减去一个增量的调整值，

Ox_i+1等于Ox_i或者Ox_i加上/减去一个增量的调整值，

Oy_i+1等于Oy_i或者Oy_i加上/减去一个增量的调整值，

及P_i+1等于P_i或者P_i加上/减去一个增量的调整值。

系数的增量调整被确定以使移动更靠近一个一坐标系原点为圆心的预定半径的圆(例如是一单位圆)的向量的第二端。特别是，系数的增量调整使得假设的相量V′_i的第二端和单位圆之间的距离小于或者等于相量V_i的第二端和该圆之间的距离。假设的向量V′_i由下面的等式确定：

           X′_i＝(x_i+Ox_i+1+P_i+1×y_i)×Gx_i+1

             Y′_i＝(y_i+Oy_i+1)×Gy_i+1

${M^{\′}}_i=\sqrt{X_i^{\′2}+Y_i^{\′2}}$

${{\mathrm{\φ}}^{\′}}_i=\mathrm{ATAN}\left[\frac{{Y^{\′}}_i}{{X^{\′}}_i}\right]$

             V′_i＝M′_iexp(jφ′_i)

在该方法的另一可选择放案中，当V_i落在圆的其中一半上时，系数Gx_i和Ox_i可被调整一次，且不再被调整直到V_k落在圆的另一半上，k大于i。在另一个可替换放案中，当V_i落在圆的左半边上时，系数Gx_i和Ox_i可被调整一次，且不再被调整直到V_k落在圆的右半边上，k大于i。在另一可替换放案中，当V_i落在圆的其中一半上时，系数Gy_i和Oy_i可被调整一次，且不再被调整直到V_k落在圆的另一半上，k大于i。在另一可替换方案中，当V_i落在圆的上半部上时，系数Gy_i和Oy_i可被调整一次，且不再被调整直到V_k落在圆的下半部上，k大于i。在另一可替换方案中，当V_i落在圆的四分之一圆周上时，系数P_i可被调整一次，且不再被调整直到V_k落在圆的不同的另一四分之一圆周上，k大于i。另外，系数的值也可以根据下表进行调整：

			量值＞单位圆半径			量值＜单位圆半径
									初始角(以度表示)	终端角(以度表示)	间隔		偏移	相位	增益	偏移	相位
348.75	11.25	0	Gx＝Gx-1	Ox＝Ox-1	-	Gx＝Gx+1	Ox＝Ox+1	-
									11.25	33.75	1
33.75	56.25	2	-	-	P＝P-1	-	-	P＝P+1
									56.25	78.75	3
78.75	101.25	4	Gy＝Gy-1	Oy＝Oy-1	-	Gy＝Gy+1	Oy＝Oy+1	-
									101.25	123.75	5
123.75	146.25	6	-	-	P＝P+1	-	-	P＝P-1
									146.25	168.75	7
168.75	191.25	8	Gx＝Gx-1	Ox＝Ox+1	-	Gx＝Gx+1	Ox＝Ox-1	-
									191.25	213.75	9
213.75	236.25	10	-	-	P＝P-1	-	-	P＝P+1
									236.25	258.75	11
258.75	281.25	12	Gy＝Gy-1	Oy＝Oy+1	-	Gy＝Gy+1	Oy＝Oy-1	-
									281.25	303.75	13
303.75	326.25	14	-	-	P＝P+1	-	-	P＝P-1
									326.25	348.75	15
如果量值＝单位圆的半径则系数不用调整

其中的增量值“1”是一个最低有效比特。

另一个方面，本发明提供一种处理光学编码器产生的信号的方法。该方法包括根据等式

${\mathrm{\φ}}_i=\mathrm{ATAN}\left[\frac{Y_i}{X_i}\right]$

产生相位φ_i的采样，这里的X_i和Y_i是从编码器接收到的正交信号的采样，这里i是整数值且在1-n中，n是整数。

该方法还包括产生一计数。每当测量的模2π的相位经过单位圆的第四个四分之一圆到单位圆的第一个四分之一圆时，计数就增加1。每当测量到的模2π的相位经过单位圆的第一个四分之一圆到单位圆的第四个四分之一圆时，计数就减少1。第四个四分之一圆是从

角延伸至2π角。第一个四分之一圆是从角度0至 角。该方法还进一步包括通过以下方式以A平方B(A quad B)的格式生成两个短脉冲串输出信号：产生代表计数和相位φ_i的一整数；使用已知的计数A平方B格式信号中的转变的方法，计数A平方B短脉冲串输出信号中的转变而产生一运行和(running sum)；产生代表该整数和运行和之间的差的带符号的差值；在A平方B短脉冲串输出信号中产生转变直到该带有符号的差值为零。

在该方法中，相位φ_i的采样可被表示为具有Dmax比特的二进制数，Dmax是一预先确定的整数。该整数可被表示为具有d比特的二进制数，d是一预先确定的整数。该整数具有D个最低有效比特和d减去D个最高有效比特，D是用户选择的整数其大于零小于d并且小于Dmax。通过将该整数的D个最低有效比特设置等于相位φ_i的D个最高有效比特，且通过将该整数的d减去D个最高有效比特设置等于该计数的d减去D个最低有效比特来生成该整数。可选择地，D是满足等式D≥Dmax+log(S)/log(2)的最小整数，S是用户选择的比例因子。该方法可以包括产生标定相位θ_i，等于相位φ_I乘以用户选择的比例因子S之积。可通过将该整数的D个最低有效比特设置等于标定相位θ_i的D个最低有效比特来生成整数，及通过将该整数的d减去D个最低有效比特设置等于d减去D个最高有效比特来生成该整数。

在另一个方面，本发明提供一种用于光学编码器的产生指标信号的方法。编码器产生指示一标尺相对于传感器头的位置的拟正弦曲线的正交信号。该编码器还产生一个窗口信号。该窗口信号的特征在于无论何时指标标记与传感器头对准就具有一高值。该窗口信号的特征在于无论何时标尺的指标标记与传感器头对准就具有一低值。该方法包括当窗口信号从低值转变为高值时设置一第一数等于该相位的值；当窗口信号从高值转变为低值时设置一第二数等于该相位的值。如果第一数和第二数之间的差值大于π而小于3π，相位指标可被设置为等于第一数和第二数之间的值。该方法包括无论何时窗口信号具有高值的特性并且当相位基本等于相位指标时，就产生该指标信号。相位指标可被设置为等于第一数和第二数的中间值。在窗口信号转变时记录相位值及设置相位指标的步骤仅在收到校准指令之后被执行。当窗口信号为高值的特性时给用户一个指示。可通过启动一个光源来提供给用户一个指示。

附图说明

图1所示为根据本发明的编码器处理电子装置的框图。

图2所示为图1中所示相位处理器的框图。

图3所示为根据本发明作出的校准调节。

图4所示为根据本发明的指标点的计算。

图5所示为根据本发明计算指标点的框图。

图6A和6B所示分别为根据本发明的连接器外壳处理电子装置的顶视图和侧视图。

图7所示为A平方B信号及一指标脉冲。

图8A所示为编码器中一标尺的运动。

图8B和8E所示分别为编码器所产生的正弦信号和余弦信号。

图8C和8F所示分别为编码器产生的A平方B的A部分和B部分。

图8D和8G所示分别为根据本发明产生的A平方B短脉冲串信号的A部分和B部分。

图9所示为根据本发明的如图8D和8G所示的生成信号方法的框图。

图10所示为根据本发明的用户接口的逻辑装置与用户通信的方法。

具体实施方式

图1所示为光学编码器系统10，该系统包括传感器头50，用来观测标尺60的相对运动；及相关联的信号处理电子装置100。如下所述，处理电子装置100自动校准编码器位置测量电路及指标脉冲产生电路。电子装置100最好以包含固件可编程逻辑电路的小型化形式被实现，然而，该电子装置100的其它可实现方式也包含在本发明中。

传感器头

传感器头50和标尺60最好以已知的方式结合以产生两个信号族。一个信号族提供关于标尺相对于传感器头的位移的信息。这些信号是正交信号70。第二个信号族是指标窗口信号80；当标尺60上的一特定位置经过传感器头50时，这些信号就发出显示。

在一个优选实施方式中，传感器头50内部的模拟正交信号具有与标尺60的位移相关的通常为正弦的强度变化。这些“x”和“y”信号相位被理想地相互移位90度。这些模拟信号在传感器头50中通过模-数转换器55被典型地采样并转换为数字值；数字输出值70在图2中被分别表示为“X_i”和“Y_i”，这里的下标“i”表示这些值是采样值。如图1和图2中所示，信号70传递至相位处理器101，在其中确定它们的瞬间相位。图2所示为相位处理器101的方框图，下面将描述其功能模块。

自激校准

采样值传输至校准模块115，校准模块115使用以下公式施加定标(Gx_i和Gy_i)，偏移(Ox_i和Oy_i)，及相位(P_i)校准值：

X_i＝(x_i+Ox_i+P_i×y_i)×Gx_i

Y_i＝(y_i+Oy_i)×Gy_i                     (1)

其中X_i和Y_i是校准之后的正交信号73。类似的公式在已有技术中已被使用。这些可选择的公式不能在所有的条件下适当地约束和/或不适于相位校准值。公式(1)最好与下面所讨论到的增量系数发生器155相结合，以在所有最初的条件和随后的条件下取得校准值的适当约束。

总起来说，定标、偏移和相位校准值到达电路115作为校准值，如同图2中所示。在优选实施例中，校准电路115以及图2中所示的相位处理器的所有其他部分以使用处理电路100中的非易失性存储器中的固件程序的现场可编程逻辑阵列(FPGA)来实现。为清楚起见，图中所示的各种处理功能被示为分离的功能块。当然，至少一个集成的相位处理器也包含在发明中。

相位估计器

校准后正交信号73在相位估计器125中被处理，以形成一相量的矢量量值M_i76和相位φ_i75的估计值，该相量与两个正交信号相对应。该量值和相位估计值最好使用称之为CORDIC数学生成。CORDIC数学在已有技术中是已知的，但是其它的处理方法也可以使用。

相位估计器接收两个校准后信号73并根据公式估计其量值和相位：

$M_i=\sqrt{X_i^2+Y_i^2}$

${\mathrm{\φ}}_I=\mathrm{ATAN}\left[\frac{Y_i}{X_i}\right]$

这两个处理值被分配给处理电路中的几个另外的模块。

与量值和相位采样对应的一采样的相量由公式V_i＝M_iexp(jφ_I)所定义，V_i是该相量，j是-1的复数平方根。

系数发生器

系数发生器功能模块155使用相位75和量值76的值以调节校准模块115中应用的校准系数。如图3和下表1中所示，系数发生器模块155采用一系列的逻辑测试来决定相位75和量值76表示的相量156是否位于单位圆157。如果相量156不在单位圆157上，该模块增加/缩减不同的校准系数77直到该相量位于圆上。每一个增加/缩减都很小，以致对校准系数的任一次调节的影响几乎察觉不到。

逻辑测试可以提供多种规则来实施。例如，系数发生器模块155可以在每次记录每一采样相位时实施这些测试。可替换地，在一优选实施例中，测试仅仅当相量的当前相位角与对校准系数作出最后调整的相位值在不同象限时被实施。该优选的模式防止相同的修正在标尺没有移动过传感器头时一次又一次地实施。另一个可选择是，将传感器校准一次，以适应制造和/或初始装配的影响，且然后为以后的测量锁定这些校准值在其中(或至少到施加重新校准命令)。

这些测试的实施结合附图3予以说明，其所示几乎是纯粹正X偏移的例子。图3所示为单位圆157。理想地，由相位估计器125产生的量值M_i总是等于1(在图3图表的刻度上)，致使对应相量的端点位于单位圆157上。然而，校准偏移可以导致位移离开单位圆上的一些相量。图3所示为所有产生的相量位于圆158上，该圆158在正X方向上移离单位圆的情况。当相位估计器125产生的相量的端点在点1(此处的相位大约是10度)X值就太大(也就是在单位圆的外部)。在移动点1到单位圆的尝试中，模块155递增地减小增益，Gx_i，并使偏移Ox_i，轻微地变负。接下来，当相位被注明为大约180度时(图3中的点2)，X值太小(也就是说在单位圆内)，以致在将点2移出到单位圆上的尝试中，该模块递增地增大增益并使偏移稍多变负。模块155最好继续调整校准系数直到相量的所有值落在单位圆上。注意到上面实例中，增益交替地减少与增加，净合成至无变化，当偏移连续地为更多负时，对最初的正X偏移进行适当地校正。

表1所示为模块155使用的一组优选的逻辑测试。如表格第一行所示，如果当前相量的相位值在348.75°和11.25°之间，并且当前相量的量值大于一，则模块155将校正比例因子G_x和G_y减少一个最低有效比特。表1所示为模块155对当前相量的所有相位值和量值进行优选的测试并进行调整，然而，显然其它组的测试与调整也可以同样采用。

			表1：调整逻辑
									量值＞单位R			量值＜单位R
			起始角	终点角	间隔		偏移	相位							增益	偏移	相位
348.75	11.25	0							Gx＝Gx-1	Ox＝Ox-1	-	Gx＝Gx+1	Ox＝Ox+1	-
			11.25	33.75	1
33.75	56.25	2							-	-	P＝P-1	-	-	P＝P+1
			56.25	78.75	3
78.75	101.25	4							Gy＝Gy-1	Oy＝Oy-1	-	Gy＝Gy+1	Oy＝Oy+1	-
			101.25	123.75	5
123.75	146.25	6							-	-	P＝P+1	-	-	P＝P-1
			146.25	168.75	7
168.75	191.25	8							Gx＝Gx-1	Ox＝Ox+1	-	Gx＝Gx+1	Ox＝Ox-1	-
			191.25	213.75	9
213.75	236.25	10							-	-	P＝P-1	-	-	P＝P+1
			236.25	258.75	11
258.75	281.25	12							Gy＝Gy-1	Oy＝Oy+1	-	Gy＝Gy+1	Oy＝Oy-1	-
			281.25	303.75	13
303.75	326.25	14							-	-	P＝P+1	-	-	P＝P-1
			326.25	348.75	15
注意：角度以度表示
									注意：如果量值＝单位R，则不进行调整

条纹计数器

图2中所示的条纹计数器模块137，识别其中跨过2π的边界的相位测量。来自每一组校准的正交信号73的记号比特被传送至条纹计数器模块137。这些记号比特是众所周知的在其中有一相量的单位圆的象限指示符。因此，每次相量(信号73所表示的)分别从第四象限传至第一象限或者相反时，模块137增加或者减少条纹计数。条纹计数器137的输出，条纹计数78，在输出字150中提供一个较高阶比特，下面将对其描述。

相位输出

从相位处理电子装置101的输出信号可以是数字字150(DW)或是一对逻辑电平脉冲串151，152，工业上称之为A平方B(AQB)。图7所示为第二种格式，包括两个相位移位的脉冲串151，152，其中每一个转变代表一个LSB的相位的变化。图8A-G所示为这些脉冲串如何与下面的标尺位置相关及由编码器头生成的正交信号相关，为清楚起见，AQB被示出没有额外插入值，也就是每一个AQB信号在正交信号70的每一个循环中在高和低的两种状态之间转换一次，允许1/4周期的位置分辨力。

图8A所示为假定的标尺运动的图形，其中标尺在一段时间内沿一个方向匀速移动，停止并等待，接着沿路径返回。图8B和8E说明了正交信号70。注意仅由于标尺的移动是恒速的，这些信号呈现为真正的正弦曲线。图8C和8F说明了工业AQB标准A和B信号。通过计数AQB信号中的转变来确定位置。两个状态间的每一次转变都代表单个计数(或者LSB)的改变。通过检测两个信号转变之前和之后的状态的简单组合的逻辑规则来确定运动的方向。最后，图8D和8G表示本发明的状态发生器135的短脉冲串发生器137所产生的AQB短脉冲串信号151，152。

如图2中所示，状态发生器135通过把相位75和条纹计数78结合成单个数字字150以产生这些输出信号，该数字字150代表距离一些指标位置的总的未缠绕(unwrapped)相位。当条纹计数78形成上部比特时，数字相位75形成数字字150的LSB。这样的结合在已有技术中是公知的。状态发生器比较新的数字字150和相位处理器101的当前AQB的输出状态，并控制短脉冲串发生器137使得短脉冲串信号151，152的输出状态代表数字字150。

图9所示为从状态发生器135产生AQB短脉冲信号151，152的较佳实现方式的流程图。状态发生器135最好包含一个内部的累加器，步骤901保持来自短脉冲串发生器137转变的运行和。该运行和在步骤902与当前的在步骤903测量的数字输出字150相比较。基于上述的比较，状态发生器控制短脉冲串发生器137以更新在短脉冲串信号150，151中的传输的脉冲数。如果比较显示这些值相等，当然就不需要变化(步骤906)。另一方面，如果有差异，短脉冲串发生器137(步骤904)就被命令在短脉冲串信号线151，152上产生传输的高速转变串。短脉冲串发生器使用AQB编码正确地编码编码顺序；也就是说，重建A和B信号的正确的相位使得标准的AQB解码器适当地解释总计数中的增加或减少。步骤905中AQB信号通过解码电路反馈给累加器。当累加器中的运行计数等于数字字150时，在步骤902的比较就会关断短脉冲串发生器137。

返回图8，短脉冲串发生器137的操作在图8D和8G中分别就A和B信号被示出。每一条垂直的虚线表示取一数字相位取样的时间。然而在常规的AQB信号中转变与正交信号70的改变相位是同步发生的，在短脉冲串信号151，152中，所有的转变紧接取得数字取样后发生。如黑体箭头所示，常规AQB的每一个转变在短脉冲串信号上都有一个相应的转变，确保累计的计数是正确的。

如图8和图9所示，短脉冲串AQB输出的改变通过每个新的数字相位测量150而被起始。然而，当下一测量到达时，短脉冲串发生器仍在运行是可能的(例如，如果在前面的数字采样中已经有了一个很大的位置变化)。前述的反馈环路确保即使在“超限(overrun)”的条件下，AQB的输出也能“追上(catch up)”测量位置，因为短脉冲串发生器保持运行直到步骤902的比较是令人满意的。

状态发生器135还在输出流中结合指标信息。如图1和2所示，指标逻辑200提供一个单个，数字的指标相位值210至状态发生器135中。在A平方B的输出模式中，一分开的指标输出线153被提供。在当测量到的相位准确地等于指标值的时间期间，状态发生器135提高指标输出线153至为逻辑“高”。这样，如图7中所示，一个LSB长脉冲154在短脉冲串脉冲期间被发送，该短脉冲串将相位计数从指标的一边移动到另一边。当然，如果标尺刚好准确停在指标相位上指标的输出线153将一直保持高的不确定性。

状态发生器还可以接收一编程信号(未示出)，该编程信号改变输出150中的视在内插深度。内插深度的改变通过以期望的整数内插因子对相位估计器125全部内插深度输出进行简单地定标而实现。例如，如果相位估计器的固有内插深度是10比特(×1024)并且该编程信号命令一个“×200”输出，状态发生器对每一个数字输出相位有效地施加一200/1024因子(二进制的定标因子例如×8或者×16通过简单地比特移位而被典型地施加)。因为短脉冲串发生器产生AQB信号以匹配数字字，在状态发生器中应用的数字定标因子也被自动地施加给该AQB。

尽管数字字输出150和AQB两者都是由状态发生器产生的，典型地，两个相位输出格式(DW或AQB)中仅有一个被实际地传送给用户，这取决于用户的喜好。当状态发生器135产生数字字类型的输出时，仅二进制的内插定标被较佳地施加以避免分数比特。分辨率的比特数最好视逻辑可编程的且通常为8到12比特之间。在DW的实施例中，较佳的数字输出字150是32比特字，更高阶的比特由条纹计数78提供。(而且在该实施例中提供附加的8个高阶比特以得到健康(health)和状态信息来获得40比特的输出字)。在优选实施例中，该字以比特串行格式被提供给用户。

指标相位值210在DW输出模式可以应用至少三种不同的方式被使用。第一，条纹计数器137在每当观察到指标相位时可被设至零。可替换地，处理器可被编程以仅在通电后的第一次观察时将条纹计数器设置零。第三，状态发生器可被编程以在内部从各测量值中减去该指标相位值。在后者的配置中，只要经过指标点，数字输出字150将读零(0)。可替换地，指标相位值210可被发送给用户以当他看到配合时使用。

指标脉冲设置及产生

如图1中所示，传感器头50产生的第二个信号类型是指标窗口信号80。该信号如图4中所示是逻辑电平矩形函数，该函数最好通过ASIC58在传感器头50中自己产生。窗口信号Zw是对于相对传感器头50的标尺60的大多数位置来说是处于逻辑电平低。然而，当标尺上的指标特征(没有示出)到达传感器头时，传感器头中的与内部ASIC组合的一特征检测器使得Zw升到逻辑电平高。如果标尺继续移动并通过传感器头，该指标特征也就远离传感器头并且Zw返回到逻辑电平低。如图4中所示，指标特征和传感器头检测器设计成使在典型的对准和操作条件下，标尺在Zw的上升沿81和下降沿82之间通过的距离在一个光学条纹的量级上(例如，相位改变大约360度)。

如图1中所示，指标窗口信号80，输出字150的相位值比特和来自用户接口300的控制信号95全部作为输入提供给指标逻辑模块200。在较佳的模式中，仅条纹计数器137的最低比特在指标逻辑模块200中使用。另外，在较佳的实施方式中，在上述的FPGA中出现指标逻辑的处理的一部分而其他的处理步骤由一包括的微处理器芯片来执行。控制信号(其也可以由外部计算机通过计算机接口400提供)将何时导出并校准指标相位信号210的功能告诉该模块。

通常，标尺60上的物理指标的指示器仅具有足够的分辨力来识别一具体的条纹。然而，用户要求指标位置被识别为一具体的相位值φ_z，其在单个的LSB中是可以重复的。精确的相位值(在0至2π之间)除了该值的可重复性外并不重要。

指标窗口80总是与一具体的光栅位置(即，一具体的条纹)相关，但是指示窗口80并不总是在任何具体相位值开始也不总是精确地为一个条纹长。因此，指标相位值一定要在一个LSB中是可重复的，不能选择为在前的，因为在前的值(在0至2π之间)在长指标窗口的各端，可能会在指标窗外部或者会出现两次。较佳地，如图4中所示，然后指标相位值将落在指标窗口80中间的附近，以适应在边沿81和82位置处的测量变化。由于指标窗口80和测量相位75(φ_i)之间没有固定的关系，一个校准函数应被执行以(a)确保窗口是正确的尺寸，及(b)确定用于指标相位值φ_z210的适当定中的值。如图2中所示，数字相位值(210)被提供给状态发生器135。在较佳的实施方式中，使用从全数字输出字150的较低阶比特抽取的一部分“未缠绕”数字相位150a来计算指标相位值210。典型的是，所有的相位处理器比特和两个条纹计数器比特被使用。如图4中所示，测量的相位75在2π至0之间不连续是易于理解的。数字输出相位150通过跟踪该条纹计数来消除这些不连续性。为计算指标相位的目的，仅仅是需要保持跟踪条纹计数超过3或者4个条纹，正如图4中所示，因为指标窗口80的存在，开启该计算以跨过最多三个条纹。

指标逻辑模块200使用与图5中方法相似的方法自激地执行校准的功能。如图中所示，这方法通常包括步骤：

1、等待直到“校准”命令出现。<步骤501>

2、监控指标窗口信号。

3、记录用于上升沿81的相位φ_R。<步骤502>

4、记录用于下降沿82的相位φ_F。<步骤503>

5、从φ_F减去φ_R来估计指标窗口的大小。<步骤504>

6、测试指标窗是否大于0.50条纹并小于1.50条纹。[如果指示窗不符合这个标准则返回步骤2]<步骤504>

7、设置指标相位210在指标窗口的中点，即，φ_Z＝(φ_F-φ_R)/2。<步骤505>

一旦设定φ_Z的值，指标逻辑200传输指标相位210至相位处理器101中的状态发生器135，如图1中所示。

当然还要注意，处理电子装置100不同模式之间的区别仅是为了清楚的目的；在较佳的实施方式中，几乎所有的处理电子装置是单一的FPGA的部分或是被编程在包括的微处理器中。

计算机接口

如图1中所示，相位处理电子装置100包括一个计算机接口模块400。在本发明的上下文中该模块执行典型的本领域的技术人员可预期的输入/输出功能，提供允许向前和向后传送处理电子装置100和外界计算机之间的数据和控制流所需的路径和信号交换。

用户接口

图1所示的最后一个模块是诊断用户接口300。如图6中所示的优选的接口300包括四个不同颜色和/或不同尺寸的发光二极管(LEDs)312，314，316，318(在图1中总地示作为310)，用户操作的按钮350全部连接到控制器逻辑380。逻辑380对相位处理器101和指标逻辑200产生的各种信号执行操作以控制LEDs310并接受用户以按压按钮350的形式的“指标设置”指令。

图10中所示是用户接口逻辑380与用户进行通信的方法700。在步骤705通电，逻辑电路自己初始化并激励小的绿色电源LED。接着逻辑电路相互比较两个未处理的正交信号70。去掉他们的记号比特，这些信号提供相量的量值的估计。当|X_i|＝|y_i|，容易示出|X_i|＝M_i/1414，这样，逻辑电路380在当|X_i|＝|Y_i|时使用|X_i|的值，以在步骤710选择适当的信号健康指示器LED(314，316或318)。如果信号强度M_i超出预先设定的“安全”值，绿色的健康指示器LED314就点亮。如果信号强度低于该安全值但是高于另外一个事先设定的“适当”值，则黄色的健康指示器LED316点亮。如果信号强度低于该适当的值，则红色的警报健康指示器LED318点亮(这表明例如不足的光被入射在传感器头50上)。也可以使用另外的指示器方案，如本领域的技术人员显然可想到的。注意“原始(raw)”信号70必须被使用，因为通过校准模块115后所有的信号由于校准的作用都将表现为具有适当的量值。

如果在任何时间用户移动在传感器头前方的标尺上的指标标记，在步骤715，逻辑电路将信号健康LED(314，316或318)关断一段时间，比如说10秒钟。这里的“闪烁”指示给用户指标标记已经观测到。用户要想设置(或者重设)指标相位校准，用户可以通过按压用户接口300上的按钮350，或者通过计算机接口400来发送等效的指令来初始化校准模式。步骤720，通过将电源LED312置为闪烁模式，用户确认该指令。这种闪烁模式将保持直到指标校准完成时或者断电。固有地，用户接口300发出一个校准指令至指标模块200。

一旦该单元闪烁，用户通过再一次移动位于传感器头前指标点来完成校准。此外，当UI逻辑电路380以短时间间隔闪烁信号健康LED(314，316或者318)时，就告诉用户已经观察到指标窗。如上文所描述的在步骤725至步骤740中，指标逻辑电路200自激地估计指标相位φ_Z。当指标相位已经成功算出，在步骤750，UI逻辑电路将电源LED312返回至其正常的连续模式。用户将在传感器头下前后移动指标标记直到电源LED312返回其正常的连续模式。

Claims (19)

1、一种光学编码器的校准方法，编码器产生两个模拟的正交信号x、y，该方法包括：

a.产生模拟信号x，y的多个数字采样x_i，y_i，i是从1至大于1的整数n中的整数；

b.根据等式X_i＝(x_i+Ox_i+P_i×y_i)×Gx_i

          Y_i＝(y_i+Oy_i)×Gy_i

生成多个校准的采样X_i，Y_i，Gx_i和Gy_i是定标系数，Ox_i和Oy_i是偏移系数，P_i是相位系数；

c.根据等式 $M_i=\sqrt{X_i^2+Y_i^2}$

${\mathrm{\&phi;}}_i=\mathrm{ATAN}\left[\frac{Y_i}{X_i}\right]$

产生多个量值M_i和相位φ_i采样，M_i和φ_i根据等式

                     V_i＝M_i exp(jφ_i)

来定义相量V_i的一个采样，j是-1的复数平方根，其中V_i可由具有第一端和第二端的线段表示，第一端位于平面坐标系的原点，该坐标系定义一x轴和一y轴，原点位于x轴和y轴的交叉点，第二端在由相对x轴的等于相位φ_I的一角度确定的方向上离开第一端的距离等于量值M_i；

d.提供用于定标系数Gx₁和Gy₁，偏移系数Ox₁和Oy₁及相位系数P₁的初始值；

e.调整定标系数，偏移系数，及相位系数的值以使得

Gx_i+1等于Gx_i或者Gx_i加上/减去一个增量的调整值，

Gy_i+1等于Gy_i或者Gy_i加上/减去一个增量的调整值，

Ox_i+1等于Ox_i或者Ox_i加上/减去一个增量的调整值，

Oy_i+1等于Oy_i或者Oy_i加上/减去一个增量的调整值，

P_i+1等于P_i或者P_i加上/减去一个增量的调整值；这些增量的调整值被作出以使得假定的相量V′_i的第二端和一圆之间的距离小于或者等于相量V_i的第二末端和该圆之间的距离，该圆具有预定的半径并以原点中心，该假定的相量V′_i由下面的等式确定：

        X′_i＝(x_i+Ox_i+1+P_i+1×y_i)×Gx_i+1

        Y′_i＝(y_i+Oy_i+1)×Gy_i+1

$M_i^{\&prime;}=\sqrt{X_i^{\&prime;2}+Y_i^{\&prime;2}}$

${{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}}_i=\mathrm{ATAN}\left[\frac{{Y^{\&prime;}}_i}{{X^{\&prime;}}_i}\right]$

        V′_i-M′_iexp(jφ′_i)。

2、根据权利要求1的方法，其中当V_i位于圆的一半上时，系数Gx_i和Ox_i被调整一次，且不再被调整直到V_k位于圆的另一半上，k大于i。

3、根据权利要求1的方法，该圆包括左半部分和右半部分，左半部分在原点的左边，右半部分在原点的右边，其中当V_i位于圆的左半部分时，系数Gx_i和Ox_i被调整一次，且不再被调整直到V_k位于圆的右半部分，k大于i。

4、根据权利要求1的方法，其中当V_i位于圆的一半上时，系数Gy_i和Oy_i被调整一次，且不再被调整直到V_k位于圆的另一半上，k大于i。

5、根据权利要求1的方法，该圆包括上半部分和下半部分，原点的上面为上半部分，原点的下面为下半部分，其中当V_i位于圆的上半部分时，系数Gy_i和Oy_i被调整一次，且不再被调整直到V_k位于圆的下半部分，k大于i。

6、根据权利要求1的方法，其中当V_i位于圆的一个四分之一圆周上时，系数P_i被调整一次，且不再被调整直到V_k位于圆的另一个不同的四分之一圆周上，k大于i。

7、根据权利要求1的方法，其中该圆是一单位圆。

8、根据权利要求1的方法，其中这些系数的值根据下表调整： 量值＞单位圆半径 量值＜单位圆半径  初始角(以度表示)  终端角(以度表示)  间隔  偏移  相位 增益  偏移  相位  348.75  11.25  0  Gx＝Gx-1  Ox＝Ox-1  -  Gx＝Gx+1  Ox＝Ox+1  -  11.25  33.75  1  33.75  56.25  2  -  -  P＝P-1  -  -  P＝P+1  56.25  78.75  3  78.75  101.25  4  Gy＝Gy-1  Oy＝Oy-1  -  Gy＝Gy+1  Oy＝Oy+1  -  101.25  123.75  5  123.75  146.25  6  -  -  P＝P+1  -  -  P＝P-1  146.25  168.75  7  168.75  191.25  8  Gx＝Gx-1  Ox＝Ox+1  -  Gx＝Gx+1  Ox＝Ox-1  -  191.25  213.75  9  213.75  236.25  10  -  -  P＝P-1  -  -  P＝P+1  236.25  258.75  11  258.75  281.25  12  Gy＝Gy-1  Oy＝Oy+1  -  Gy＝Gy+1  Oy＝Oy-1  -  281.25  303.75  13  303.75  326.25  14  -  -  P＝P+1  -  -  P＝P-1  326.25  348.75  15     如果量值＝单位圆的半径 则系数不被调整

其中增量值“1”是一个最低有效比特。

9、一种与光学编码器一起使用的处理装置，该装置包括：

a.数字估计器，用于根据等式 ${\mathrm{\&phi;}}_i=\mathrm{ATAN}\left[\frac{Y_i}{X_i}\right]$

产生的相位φ_i的采样，X_i和Y_i是从编码器接收到的正交信号的采样，i是从1至整数n中的一个整数；

b.条纹计数器，用于产生一个计数，每次当测量的模2π的相位从单位圆的第四个四分之一圆周经过至单位圆的第一个四分之一圆周时，计数就增加1，每次当测量的模2π的相位从单位圆的第一个四分之一圆周经过至单位圆的第四个四分之一圆周时，计数就减1，第四个四分之一圆周是从角 延伸至2π，第一个四分之一圆周是从角度0延伸至

c.状态发生器，用于接收该计数及相位φ_i的采样并作为对其响应以A平方B的格式产生两个短脉冲串输出信号，每一个短脉冲串输出信号在任意时间点上被特征化在高值的状态或低值的状态，并包括：

插入器，用于产生表示该计数和相位φ_I的一整数；

累加器，用于通过计数A平方B的短脉冲串输出信号中的转变而产生一运行和；

比较器，用于产生表示该整数和该运行和之间的差的带有符号的差值；

短脉冲串发生器，用于产生A平方B短脉冲串输出信号中的转变直到该带有符号的差值为零。

10、根据权利要求9的处理装置，其中相位φ_i的采样被表示为具有Dmax比特的二进制数，Dmax是一预先确定的整数，该整数被表示为具有d比特的一二进制数，d是一预先确定的整数，该整数具有D个最低有效比特和d减去D个最高有效比特，D是用户选择的大于零小于d并且小于Dmax的一整数，插入器可以通过设置该整数的D个最低有效比特等于相位φ_i的D个最高有效比特，并通过设置该整数的d减去D个最高有效比特等于该计数的d减去D个最低有效比特来生成该整数。

11、根据权利要求9的处理装置，其中相位φ_i的采样被表示为具有Dmax比特的二进制数，Dmax是一预先确定的整数，该整数被表示为具有d比特的一二进制数，d是一预先确定的整数，该整数具有D个最低有效比特和d减去D个最高有效比特，D是满足等式D≥Dmax+log(S)/log(2)的最小整数，S是用户选择的比例因子，插入器产生一定标相位θ_i，该定标相位θ_i等于相位φ_I与用户选择比例因子S的乘积，插入器通过将该整数的D个最低有效比特设置等于定标的相位θ_I的D个最低有效比特，且通过将该整数的d减去D个最高有效比特设置等于该计数的d减去D个最低有效比特来生成该整数。

12、一种处理光学编码器产生的信号的方法，包括：

a.根据等式 ${\mathrm{\&phi;}}_i=\mathrm{ATAN}\left[\frac{Y_i}{X_i}\right]$

产生相位φ_i的采样，X_i和Y_i是从该编码器接收到的正交信号的采样，i是从1至整数n中的一个整数；

b.产生一个计数，每当测量的模2π的相位从单位圆的第四个四分之一圆周经过至单位圆的第一个四分之一圆周时，计数就增加1，每当测量的模2π的相位从单位圆的第一个四分之一圆周经过至单位圆的第四个四分之一圆周时，计数就减1，第四个四分之一圆周是从角

延伸至2π，第一个四分之一圆周是从角度0延伸至

c.通过以下步骤以A平方B的格式产生两个短脉冲串输出信号：

产生一个代表该计数和相位φ_I的整数；

计数A平方B的短脉冲串输出信号中的转变来产生一运行和；

产生代表该整数和该运行和之间的差的带有符号的差值；

产生A平方B的短脉冲串输出信号中转变直到该带有符号的差值为零。

13、根据权利要求12的方法，其中相位φ_i的采样被表示为具有Dmax比特的二进制数，Dmax是一预先确定的整数，该整数被表示为具有d比特的一二进制数，d是一预先确定的整数，该整数具有D个最低有效比特和d减去D个最高有效比特，D是用户选择的大于零小于d并且小于Dmax的一整数，通过设置该整数的D个最低有效比特等于相位φ_i的D个最高有效比特，并通过设置该整数的d减去D个最高有效比特等于该计数的d减去D个最低有效比特来生成该整数。

14、根据权利要求12的方法，其中相位φ_i的采样被表示为具有Dmax比特的二进制数，Dmax是一预先确定的整数，该整数被表示为具有d比特的二进制数，d是一预先确定的整数，该整数具有D个最低有效比特和d减去D个最高有效比特，D是满足等式D≥Dmax+log(S)/log(2)的最小整数，S是用户选择的比例因子，该方法进一步包括产生一定标相位θ_i，该定标相位θ_i等于相位φ_I与用户选择比例因子S的乘积，通过将该整数的D个最低有效比特设置等于定标的相位θ_I的D个最低有效比特，且通过将该整数的d减去D个最高有效比特设置等于该计数的d减去D个最低有效比特来生成该整数。

15、一种为光学编码器产生指标信号的方法，该编码器产生指示一标尺相对于传感器头的位置的拟正弦曲线的正交信号，该编码器还产生一个窗口信号，只要标尺的指标标记与传感器头对准，该窗口信号就具有高值的特性，只要标尺的指标标记与传感器头不对准，该窗口信号就具有低值的特性，该方法包括：

a.当窗口信号从低值转变为高值时，设置第一数等于相位的值；

b.当窗口信号从高值转变为低值时，设置第二数等于相位的值；

c.如果第一数和第二数之间的差值大于π而小于3π，相位指标就设置为等于第一数和第二数之间的差；

d.只要该窗口信号具有高值的特性且当该相位基本上等于该相位指标时，生成该指标信号。

16、根据权利要求15的方法，其中该相位指标基本上等于第一数和第二数之间的中间值。

17、根据权利要求15的方法，其中步骤(a)，(b)和(c)仅仅在接收到校准指令之后被执行。

18、根据权利要求17的方法，包括当窗口信号为高值的特性时给用户提供一个指示的步骤。

19、根据权利要求18的方法，其中给用户提供一个指示的步骤还包括启动一光源。

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