TW201938994A - 使用可程式化光偵測器陣列的絕對式光學編碼器 - Google Patents

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Abstract

一種編碼器系統包含一群可程式化偵測器、一群可程式化通道、和一可程式化連通網路，該可程式化連通網路係耦接在該等可程式化偵測器與該等可程式化通道之間。該等可程式化偵測器之各者係可操作來回應光學或磁性輸入而產生電流。該等可程式化通道之各者係可操作來回應電流輸入而產生輸出，來自該等可程式化通道的輸出構成碼字的至少一部分，用以決定移動物體的絕對位置。該可程式化連通網路係可操作成將來自該等可程式化偵測器之至少一部分的電流編排路由至該等可程式化通道之各者。

Description

使用可程式化光偵測器陣列的絕對式光學編碼器
本發明係有關使用可程式化光偵測器陣列的絕對式光學編碼器。
諸如光學編碼器的編碼器系統典型上包含偵測物體的位置及/或移動資訊以及將其轉變成類比或數位信號的機電裝置(electro-mechanical device)。例如，其上具有圖案的碼盤(code disk)。當碼盤轉動或滑動時，透射過或反射出該碼盤的光攜帶該碼盤的位置及/或移動資訊。光隨後被光偵測器所接收，而且其上的資訊被電路所偵測及處理。光偵測器和處理電路典型上被整合成一個裝置，諸如特殊應用積體電路(ASIC)。
光學編碼器的製造商傳統上針對具有不同形狀、尺寸、及/或組態而需要不同的ASICs。例如，碼盤可以是碼輪(code wheel)或碼條(code strip)。不同的碼輪可具有不同的半徑和不同的每轉的脈波數(pulses-per-revolution)。不同的碼條可具有不同的每單位長度的脈波數(pulses-per-unit-length)。此外，碼盤可以是透射式(transmissive)或反射式(reflective)的，並且碼盤上的狹縫可以具有不同的形狀及尺寸。為了製作呈低到中等容量、具有不同碼盤的不同編碼器，製造商須需要購買及維持呈低到中等容量之不同ASICs的類型組合(portfolio)。如果相同的ASIC可以被使用於多個不同的碼盤，這導致更高的成本以及需要比所將需要者更複雜的供應鏈。
因此，渴望編碼器系統的改進。
及
下面的揭示提供許多用以施行所提供之專利標的不同特徵的不同實施例或範例。組件及配置的特定範例被說明於下以簡化此揭示。當然，這些僅僅是範例而且不打算用來限定。對於所述之裝置、系統、方法的任何替換和進一步修改以及本發明之原理的進一步應用皆被充分地考量，如同熟習於與本發明有關之技藝者所通常想到的。例如，參照一個實施例所述之特徵、組件、及/或步驟可以和參照本發明之其他實施例所述的特徵、組件、及/或步驟相結合而構成依據本發明之裝置、系統、或方法的另一實施例，即使此種結合並未被明確地顯示出。此外，為了簡潔起見，在有些例子中，所有的圖形皆使用相同的參考數字來表示相同或相似的部件。
本發明一般係有關編碼器系統及其方法，更特別的是有關具有可程式化光偵測器陣列、可程式化通道、和光偵測器陣列與通道之間的可程式化連通網路的光學編碼器。在實施例中，可程式化光偵測器陣列、可程式化通道、和可程式化連通網路被整合成一個裝置，諸如ASIC。該ASIC可以被可程式化而與不同的碼盤一起工作來偵測和編碼碼盤的位置(以及選項性地，位移)以施行絕對式編碼器，以及增量式(incremental)編碼器。絕對式編碼器能夠偵測和編碼碼盤的絕對位置，而增量式編碼器能夠偵測和編碼碼盤相對於當編碼器系統被啟動時之碼盤位置的位置。編碼器可以具有絕對式編碼器和增量式編碼器兩者經整合的功能。碼盤包含具有任何適當組態的碼輪(code wheel)或碼條(code strip)，以及其他類型的編碼設備。本發明的各種實施例致使能夠使用用於具有不同組態之編碼器系統的單一ASIC設計，因而致使能夠降低製造商的成本以及更簡單的供應鏈。為了簡潔起見，具有光偵測器之光學偵測被例舉於本發明中。然而，本發明的原理並不限於光學偵測，而且可以被應用於其他類型的光電或磁性偵測，諸如使用用來偵測磁通量之改變的磁性偵測器。
圖1A描繪依據本發明所建構之編碼器系統100的實施例。編碼器系統100包含光源102、碼盤104、及偵測器裝置(或編碼器裝置)110。
在一實施例中，光源102包含發光二極體(LED)。在另一實施例中，光源102包含產生同調光(coherent light)的半導體雷射。由光源102所產生之光的波長或頻譜和碼盤104以及偵測器裝置110(在本實施例中包含各種光偵測器)相容地一起工作。光源102可另包含一或多個準直光學儀器(collimating optics)(例如，在透射式光學編碼器中)或者一或多個聚焦光學儀器(focusing optics)(例如，在反射式光學編碼器中)。
在所示的實施例中，碼盤104繞著其中心軸線103轉動而且也被稱為碼輪。碼盤104包含其上具有圖案的一或多條軌道，諸如軌道106和108。在此實施例中，軌道為碼盤104上的環形區域。視其上的圖案，軌道可以被稱為正交軌道或絕對軌道。例如，具有交替且實質上相等尺寸之可透射及不透光圖案的軌道可以被用來編碼碼盤104的移動(速度及/或方向)，且因此被稱為正交軌道。相反地，具有不同尺寸之可透射及不透光圖案的軌道可以被用來編碼碼盤104的絕對位置，且因此被稱為絕對軌道。軌道106或軌道108可以為絕對軌道。在一實施例中，軌道108為絕對軌道而軌道106為正交軌道。在有些實施例中，碼盤104可包含多條絕對軌道108。
一範例碼輪104被描繪於圖1B中，具有正交軌道106作為內軌道以及絕對軌道108作為外軌道。參考圖1B，在此實施例中，碼輪104為透射式碼輪。軌道106及108之各者包含可透射圖案(或區域)107和不透光圖案109，其分別以白色區及暗色區來表示。軌道106包含交替配置且實質上為相等尺寸的圖案107和109(例如，它們的環形寬度係在+/-5%之內)。軌道108包含具有不同尺寸的圖案107和109。在本實施例中，軌道108被設計而使得其可以被均等地分割成N個區段(section)(就環形寬度而言)，且N個區段各自具有呈一序列可透射及不透光區域之形式的獨特圖案。該N個區段實際上可以互相重疊。這些獨特圖案被偵測器裝置110所偵測及編碼，以認出碼盤104的獨特位置。例如，絕對軌道108可以提供2048個獨特圖案(N=2048)，而且偵測器裝置110可以認出這些2048個獨特圖案，並且使用二進制編碼法(binary coding)、格雷(gray)編碼法、或其他適合的編碼法來將他們編碼成具有12位元的碼字(code word)。偵測器裝置110的設計符合絕對軌道108的設計。例如，如果圖案107為派形的形狀(pie-shaped)，則偵測器裝置110中的感光區(photoactive area)也可以被組構成派形的形狀。而且偵測器裝置110中之感光區的高度可以被組構成符合圖案107的高度。因為有許多設計圖案107和109的方式以提供獨特的圖案，所以甚至對相同數量(例如，2048)的獨特圖案，也可以設計不同的絕對軌道108。習知上，這已經取得了不同的偵測器裝置以符合不同的絕對軌道，其增加了編碼器製造商的成本。
在本實施例中，偵測器裝置110被設計成包含可程式化光偵測器陣列、可程式化通道、和可程式化連通網路。各個可程式化通道可提供碼字中的一個位元。可程式化光偵測器陣列中的各個光偵測器可以被選擇性地開啟(ON)、關閉(OFF)、或者部分被開啟(ON)。連通網路可以被程式化來選擇可程式化光偵測器陣列的一部分映射至特別的通道。此可程式化性(programmability)讓偵測器裝置110能夠和具有不同絕對軌道108的各種碼盤104一起工作，藉以降低成本以及簡化編碼器製造商的庫存(inventory)。在各種實施例中，偵測器裝置110可以支援任何數量的碼位元高達可用之可程式化通道的數目。偵測器裝置110的設計將在本發明的稍後段落中做進一步的討論。
碼盤104的其中一個參數為每轉的脈波數(PPR)，其可以藉由其正交軌道中的角距(angular pitch)“θ”來予以定義，其中，PPR=360°/θ，如圖1C中所示。當碼盤104轉動時，通過軌道106的光係以某種波型(諸如，正弦波)來予以調變，其可以被偵測器裝置110所偵測到來決定旋轉的速度及/或方向。在各種實施例中，碼盤104可以具有正交軌道106或絕對軌道108或者兩者皆有。此外，圖案107和109可以呈各種不同的形狀，諸如長方形、正方形、派形、鋸齒形、彎曲的形狀、或其他適合的形狀。
在圖1A、1B、和1C所描繪的實施例中，碼盤104為透射式碼輪，其有角度地移動於光源102與偵測器裝置110之間。在替換的實施例中，碼盤104可以為反射式碼盤。在此一實施例中，區域107為可反射的而非可透射的，並且區域109可吸收光。此外，光源102和偵測器裝置110可以被放置在碼盤104的同一側。光源102和偵測器裝置110可以被整合成一個裝置，在兩個裝置(例如，兩個晶粒)上但是實際上被組裝在一起、或者在兩個分開離散的裝置上。
在另一實施例中，碼盤104為碼條而不是碼輪。碼條線性地移動而不是轉動，並且可以是可透射或可反射的。圖2顯示具有反射式碼條104之編碼器系統100的實施例。碼條104上的軌道106及108具有不同的反射和吸收區域。光源102和偵測器裝置110係在碼盤104的同一側。反射出軌道106及108的光被偵測器裝置110所捕捉，其然後偵測及編碼碼盤104的位置及/或移動。
圖3顯示依據本發明所建構之偵測器裝置110的實施例。參考圖3，偵測器裝置110包含可程式化偵測器陣列120、可程式化連通網路130、和包含通道140-1,140-2,…及140-P的多條通道140，其中，P為大於1的整數。偵測器陣列120包含配置以產生N個輸出128的複數個偵測器(例如，光偵測器)122，各個輸出128載運電流。電流回應照射於偵測器122上之光的改變而改變。連通網路130可被程式化以將輸出128映射至通道140。例如，一個輸出128可以被饋送至一或更多條通道140，而且一條通道140可以攜帶一或更多個輸出128。在各種實施例中，N為等於或者大於P的整數。連通網路130提供P個輸出138(各自為一偵測器裝置110內的節點)，其亦載運電流。各個通道140係可操作而將來自節點138的電流轉變成類比電壓信號或數位(例如，二進制)信號148。在一實施例中，各個通道140提供由編碼器系統100所產生之碼字中的一個位元。在所示的實施例中，編碼器裝置110產生P個位元，bi (i=1…P)。通道140中的至少一些係可程式化的。通道係可程式化於當該通道中的某一或某些組件係可程式化的，諸如具有可程式化的臨界值、可程式化的遲滯、等等。該偵測器陣列120、該連通網路130、和該等通道140可以使用多個分開的裝置或者使用一個整合的裝置(例如，ASIC)來予以施行。編碼器裝置110的各種組件被進一步說明於下。
可程式化偵測器陣列120包含複數個偵測器122。在本實施例中，各偵測器122為光偵測器。例如，偵測器122可包含光電二極體、光電晶體、或是能夠將光子轉變成電子之其他適合的感光裝置。為了簡潔起見，陣列120中的光偵測器122也被稱為光像素或像素，而且偵測器陣列120也被稱為像素陣列。在本實施例中，偵測器122係配置成規律的列和行(例如，8列及12行，如圖3中所示)。換言之，偵測器陣列120為規律的陣列。在替換實施例中，偵測器122可以被配置成整體梯形(例如，在頂部比在底部有更多的偵測器)、稀疏陣列、或者甚至是不規則的形狀。例如，因為碼輪的典型狹縫為派形的形狀，所以偵測器122也可以被排列成派形的形狀以節省偵測器裝置110上的晶粒面積。在那些實施例中，雖然該聚集的整體形狀並不是正方形或長方形，但是該等偵測器122的聚集為了方便而仍被稱為偵測器陣列120。此外，在有些實施例中，該等偵測器122可以是磁性偵測器，用以偵測由於受到碼盤的調變所造成的磁通量改變。
在一實施例中，各偵測器122可以被選擇性地開啟(ON)或關閉(OFF)。例如，為了各式各樣的碼盤104，偵測器陣列120可以被設計得足夠大。對於給定的碼盤104而言，並非所有的偵測器122都需要用於編碼。因此，部分的偵測器122可以被關閉，不是用以對N個輸出128產生較佳的信號品質(已知碼盤104中之狹縫的形狀及尺寸)，就是用以減少整體的功率耗損。在另一實施例中，各偵測器122可以被選擇性地開啟(ON)、關閉(OFF)、或者部分被開啟(ON)。將偵測器122設定成部分開啟(ON)(局部強度)可以允許從該偵測器有加權的電流輸出，諸如一半或四分之一的像素要被使用，或者甚至是零(亦即，像素被關閉)。此強度調整可以改善偵測器122的映射以符合碼盤104中之狹縫的形狀及尺寸(例如，派形形狀的圖案107)。在一實施例中，各偵測器122可以被獨立於其他偵測器地程式化，其提供該偵測器陣列120的最大可程式化性。在另一實施例中，有些相鄰的偵測器122可以被分成一組並且一起被程式化。例如，一行或部分行的偵測器122可以被分成一組並且一起被程式化。這減少了儲存程式資訊之記憶體的數量。在其他實施例中，從一組偵測器122(例如，一行或部分行的偵測器122)的電流輸出可以被加總在一起成為一個輸出128。
在有些實施例中，也可以使偵測器122的形狀在該偵測器陣列120內成為非均質的(non-homogeneous)。該偵測器122具有不同的尺寸及/或形狀可以降低總系統雜訊。例如，矩形及以柵格為基礎的像素相較於較佳匹配該等狹縫(例如，派形形狀或鋸齒形狀的狹縫)之理想形狀的偵測器可以產生小量的雜訊。將偵測器的形狀調整為圓形、橢圓形、或者具有圓角(rounded corner)可以降低整體雜訊。
圖4繪示依據一些實施例，映射(或分組)偵測器122以致能4位元的絕對編碼器的一個範例。注意到，此範例中之偵測器122的數量、偵測器陣列120之列和行的數量、以及位元(或通道)的數量僅僅是舉例說明性的，而且並不限定本發明的範圍。參考圖4，偵測器陣列120包含8列和12行的偵測器122。圖4進一步顯示疊加在偵測器陣列120上之絕對軌道108(圖1A和1B)的可透射圖案107。注意到，不透光圖案109係在該等圖案107之間。此範例中之圖案107和109的序列為由絕對軌道108所提供之16個獨特序列的其中之一。依據一範例映射，行“1”,“9”,“10”,及“12”中的偵測器皆被關閉(OFF)(不用於此編碼器實作)，行“2”及“3”中的偵測器被映射至位元b1 (通道1)，行“4”及“5”中的偵測器被映射至位元b2 (通道2)，行“6”,“7”,及“8”中的偵測器被映射至位元b3 (通道3)，以及行“11”中的偵測器被映射至位元b4 (通道4)。此外，有些行可能具有一些偵測器被開啟(ON)以及一些偵測器被關閉(OFF)，並且甚至可能具有一些偵測器被部分開啟(ON)。例如，在一實施例中，行“5”中的上面四個偵測器122可以被關閉。映射至同一個位元的所有偵測器具有它們的輸出電流被加總在一起，其被對應通道140中的電路所處理。例如，行“2”及“3”中的所有偵測器(除了那些被關閉(OFF)以外)將電流供應至通道“1”。對於上面給定的映射而言，針對此特別序列的圖案107和109，編碼器可以產生b[4：1]=“1101”之4位元的二進制碼。注意到，相同的偵測器到通道的映射也必須針對其他15個獨特序列的圖案107和109而產生獨特的碼。在有些實施例中，偵測器陣列120可以被映射至多條絕對軌道108以支援多個絕對編碼(例如，用以表示移動的方向或用以增加位置編碼的解析度)。例如，一條絕對軌道108可以偏離另一條絕對軌道狹縫寬度的一半。
如同上面參照圖1A至1C所討論者，圖案107和109的形狀及尺寸可以隨著不同的碼盤而有相當的改變。取代針對不同的碼盤而有不同的偵測器陣列設計，本發明使用同一個偵測器陣列120並且將它針對不同的碼盤104，特別是不同的絕對軌道108而有不同的映射。該映射可以使用某軟體來予以決定或者依據碼盤104的幾何而以數學方式來決定，而後被儲存在記憶體模組中，諸如非揮發性記憶體。在啟動之後或者在操作期間，偵測器裝置110可以從該記憶體模組中讀取出該映射資訊以及其他資訊。這大大地減少針對不同的碼盤在偵測器裝置110中之不同設計的數量，藉此由於其生產量的增加而降低與偵測器裝置110有關的成本。
回到參考圖3，可程式化連通網路130係耦接在偵測器陣列120與通道140之間。在一實施例中，連通網路130讓該等偵測器122的任何一者能夠連接至該等通道140的任何一者。在另一實施例中，連通網路130讓部分的該等偵測器122能夠連接至部分的該等通道140，但並非全部。
圖5繪示可程式化連通網路130的實施例，該可程式化連通網路130使兩個偵測器方塊122-1和122-2連接(或編排路由)至對應於四個節點138-1,138-2,138-3,及138-4的四個通道。各偵測器方塊122-1和122-2可包含一個偵測器122或一群偵測器122，諸如偵測器陣列120中一行的偵測器122或多行的偵測器122。該兩個偵測器方塊122-1和122-2係耦接在共同端與個別節點128-1和128-2之間。在一實施例中，該共同端係連接至偵測器陣列120中的許多偵測器或所有的偵測器。該等方塊122-1和122-2中的各個偵測器可以使用控制線路160而被開啟(ON)、關閉(OFF)、或者部分開啟(ON)。對於被開啟(ON)或者部分開啟(ON)的各個偵測器而言，電流和入射於偵測器122之感光區的光功率成比例地流動在該共同端與個別節點128-1或128-2之間。
可程式化連通網路130包含使偵測器方塊122-1連接至該四個通道的任何一者的連通方塊130-1，以及使偵測器方塊122-2連接至該四個通道的任何一者的連通方塊130-2。該連通方塊130-1和130-2各自可以使用多工器、開關、電晶體、或其他適合的電路來予以施行。圖6繪示使用四個開關132-1,132-2,132-3,及132-4所施行的範例連通方塊130-1。該等開關各自可以藉由控制線路160來予以程式化而不是開啟就是關閉。當特定的開關被關閉時，偵測器方塊122-1的輸出被連接(或編排路由)至對應的通道。例如，如果開關132-2被關閉，則偵測器連通122-1被編排路由至節點138-2(在圖3的通道140-2之後)。在一實施例中，偵測器方塊122-1和122-2兩者皆可被連接至同一個節點128-i(i=1,2,3,或4)，並且它們的電流被加總在一起。該控制線路160可以為匯流排線路、記憶體匯流排中的字線、或其他適合的結構。偵測器裝置110可包含其他電路和連接(未顯示出)而與該等控制線路160、該等偵測器122、和該連通網路130相配合來工作。例如，偵測器裝置110可包含控制器以從一或更多個記憶體模組中讀取出組態檔案，以及使用該等控制線路160而將組態資訊供應至各式各樣的可程式化組件。該控制器可包含與該偵測器陣列120相整合的微處理器或獨立的微處理器。
圖7A繪示依據本發明一實施例之可程式化通道140的方塊圖。參考圖7A，通道140包含轉換阻抗放大器(TIA)142，其從節點138接收電流輸入並且將其轉變成電壓信號139。該TIA 142可以是單端TIA或差動(differential) TIA，並且針對該電流輸入而被適當地定尺寸(sized)。在一實施例中，該等TIAs 142可為高度線性的，以便產生高品質的類比輸出。在另一實施例中，該等TIAs 142可為對數的，以便吸收(accommodate)寬廣動態範圍的輸入。轉換阻抗應該大到足以減少由放大器本身的內部雜訊和下游比較器的偏移(offset)所引入的角位置誤差，可是也應小到足以維持在全幅(full-scale)輸入電流處的良好線性。(各通道140中的)各TIA 142為了偏移補償而可以具有可添加至(additive to)其輸入之可調整的電流流入(current sink)。針對特定例的電流流入值可以使用該等控制線路160來予以控制。該可調整的電流流入可包含鎖存器來儲存控制位元。
通道140可另包含用於額外增益的增益級放大器144。該增益級放大器144將進一步的信號放大或信號調節(signal conditioning)提供給該電壓信號139，並且產生電壓信號141。在一實施例中，該增益級放大器144係選項的，並且可以被關閉或者不包含在該通道140中。此種實施例進一步，該電壓信號139直接饋送至比較器146。該增益級放大器144，如果出現的話，可以使用該等控制線路160來予以程式化。
比較器146將輸入電壓信號(141或139)與可程式化的臨界電壓位準做比較，並且產生輸出148(例如，二進制數位輸出)以表示輸入電壓是否高於或低於該臨界值。在有些實施例中，比較器146可具有多個可程式化的臨界電壓位準，例如，用以提供多等級編碼(multi-level coding)而非二進制編碼(binary coding)。此外，比較器146為了雜訊抗擾性(noise immunity)而可以具有可程式化的遲滯設定(例如，針對低到高轉態和針對高到低轉態有不同的交叉點)。比較器146的組態(例如，臨界值和遲滯的設定)與該偵測器陣列120的組態以及偵測器到通道的映射相配合而工作。例如，對於給定的碼盤和給定的絕對軌道，一或多行的偵測器122可將電流供應至該等通道140。在圖4所示的範例中，該“b4 ”通道接收來自一行偵測器122的電流，而該“b3 ”通道接收來自三行偵測器122的電流。因此，在這兩個通道中的比較器係以不同的臨界位準及/或不同的遲滯位準來予以程式化，以便適當地編碼位元b4 和b3 。例如，該“b4 ”通道中的比較器146係以比該“b3 ”通道中的比較器146更低的臨界電壓位準來予以程式化。該比較器146可以使用該等控制線路160來予以程式化。
圖7B繪示依據本發明另一實施例之可程式化通道140的方塊圖。參考圖7B，通道140包含TIA 142、選項性的增益級放大器144、和比較器146(標示為“比較器 -1”)。TIA 142、增益級放大器144、和比較器-1 146的功能已經參照圖7A做了說明。通道140另包含內插器145和另一比較器147(標示為“比較器-2”)。在一實施例中，內插器145和比較器147係可操作而為增量式編碼器產生碼150。例如，該偵測器陣列120可被分隔以同時支援絕對軌道108和正交軌道106，如圖8中所示。參考圖8，在該偵測器陣列120中有些行(標示為“方塊120-1”)被映射至絕對軌道用以編碼碼盤104的位置，且在該偵測器陣列120中有些行(標示為“方塊120-2”)被映射至正交軌道用以編碼碼盤104的移動。在各種實施例中，在該偵測器陣列120中另一方塊的偵測器(方塊120-1的部分)可以被用於索引追踪或通訊編碼。用於絕對式編碼之偵測器122的映射已經被討論於上。用於增量式編碼之偵測器的映射被概略討論於下。
在一實施例中，正交軌道106包含交替的可透射及不透光圖案107和109(見圖1B和1C)。當碼盤104旋轉時，通過正交軌道106的光係用具有正交相位(例如，0°(A+)、90°(B+)、180°(A-)、及270°(B-))的正弦狀波型來予以調變。這些正交相位被方塊120-2中的偵測器所偵測到，而且可以被編碼成增量式碼(incremental code)。在一實施例中，方塊120-2中的各偵測器122可以被指定給該等正交相位的任何一者。該指定可以藉由將正交軌道106疊加於方塊120-2之上的部分來予以決定，例如，在圖4中藉由以正交軌道106來取代絕對軌道108。該指定將正交軌道106的半徑和PPR、以及偵測器方塊120-2的形狀、偵測器的數量、偵測器間隔、等等納入考量。該指定可以被儲存在諸如非揮發性記憶體的記憶體模組中，並且可由編碼器系統100來進行存取。
圖9顯示具有電阻器梯架構、與TIAs 142配合一起工作來提供增量式編碼的範例內插器145的電路圖。這僅僅是個範例。也可以使用其他的實作，諸如其他適合數量的內插器電阻器(≥2)及/或其他適合的電路拓樸。在所繪示的實施例中，內插器145產生類比波型，其係從在0°與90°之間、經過濾波的TIA輸出波型中，以5.625°(=90°/16)的均等步級(step)而被相位偏移的。針對此範例實施例，藉由數位式地比較適當的內插波型(例如，使用圖7B的比較器147)，可以產生高達TIA輸出之頻率16倍(16x)的方形波(square wave)。在一範例實作中，編碼器裝置110包含四個相同的電阻器梯，各自在該四個正交相位A+、A-、B+、及B-的其中兩個之經過濾波的TIA輸出之間。例如，第一個在B+與A-之經過濾波的TIA輸出之間、第二個在A-與B-之經過濾波的TIA輸出之間、第三個在B-與A+之經過濾波的TIA輸出之間、且第二個在A+與B+之經過濾波的TIA輸出之間。各種其他實施例可以被適當地縮放來提供任何數目的步級。
圖7C繪示依據本發明又一實施例之可程式化通道140的方塊圖。參考圖7C，通道140包含TIA 142、選項性的增益級放大器144、內插器145、和比較器149。比較器149可實施比較器146的功能或比較器147的功能，視自該等控制線路160所供應的組態而定。換言之，比較器149係由絕對式編碼器和增量式編碼器所共有。因此，輸出152可以是絕對式碼或增量式碼。當比較器149被使用於增量式編碼時，其自內插器145取走輸入。否則，其自增益級放大器144或自TIA 142取走輸入。此架構簡化了通道140的設計。
圖10繪示範例編碼器裝置110的方塊圖。編碼器裝置110之組件的一些已經被討論於上，其包含可程式化偵測器陣列120、可程式化連通網路130、轉換阻抗放大器142、內插器145、和比較器146,147,及149。編碼器裝置110可選項性地含有濾波器143，用以去除由像素到碼盤狹縫的非理想映射所引入的諧波。如果出現的話，則濾波器143係耦接在TIA 142與內插器145之間。濾波器143也可以組構成適於碼盤104的不同操作速度。該編碼器裝置110另包含輸出驅動器和電源供應器。該輸出驅動器可以支援數位或類比輸出或者數位和類比輸出兩者。
該編碼器裝置110也可為伴生(companion)光源102(例如，LED)提供電流控制，不是在整個電壓/溫度範圍上以固定電流驅動就是使用回授來提供固定的光功率密度(optical power density)。該編碼器裝置110或是分開的偵測器可以被用來監視此回授。例如，偵測器陣列120中之該等偵測器122的一或更多列或行可用作為該回授機制。該編碼器裝置110可另包含在運行期間使偵測器(像素)抖動(dithering)的組件(未顯示出)。通常，偵測器在啟動時被設定於靜止組態。具有使偵測器從一個通道偏移到另一個通道或者關閉的能力，可以具有增加的性能，特別是在低轉速時。此外，偵測器抖動和LED電流驅動控制的組合可以提供偵測出碼盤104的位置或移動上有小改變的改善。
與可程式化偵測器陣列120、可程式化連通網路130、和可程式化通道140相關聯的組態可以從隨機存取記憶體(RAM)或者從非揮發性記憶體(NVM)中來予以存取。在RAM的情況中，主機微控制器可以使用I2 C、串列周邊介面(SPI)匯流排、並列記憶體匯流排、或其他適合的記憶體介面來設定該編碼器裝置110中的各記憶體位元(或暫存器位元)。或者，該編碼器裝置110可含有邏輯(例如，圖10中的記憶體控制器162)，以從外部的NVM或內部的NVM中讀取並且據而設定記憶體位元。內部的NVM可以是可程式化的--亦即快閃記憶體或任何可再程式化記憶體、一次性可程式化記憶體(例如，電子熔絲記憶體(e-fuses))、或者唯讀記憶體(ROM)。
圖11顯示決定用以程式化偵測器陣列120、連通網路130、和通道140之組態之範例方法300的流程圖。實際上分開的電腦系統(例如，PC)及/或其他微控制器單元可以藉由從電腦可讀媒體中讀取出碼並且執行該碼來提供本文中所討論的功能性而執行方法300的操作。在範例實施例中，在製造期間藉由獨立的電腦系統(例如，PC)來執行方法300，而不是由該編碼器裝置110中的微控制器單元來執行或者在該編碼器的運行時間期間執行方法300。方法300包含用以收集碼盤104之幾何特性的操作302；用以收集偵測器陣列120之幾何特性的操作304；用以決定包含一群偵測器122之編碼器裝置110的組態(例如，基於區域、列、或行)、偵測器到通道的映射、和通道140中各種組件的設定的操作306；以及用以將該組態儲存進記憶體模組中的操作308。該等操作302,304,306,和308被進一步討論於下。
在操作302，從碼盤104的設置(setup)來收集碼盤幾何特性，其可以被儲存在記憶體中。該碼盤幾何特性可包含盤半徑、PPR或每單位長度的脈波數、旋轉/滑動速度、圖案107和109的幾何、絕對軌道108上之圖案107和109的序列等等。
在操作304，從偵測器陣列120的設置來收集偵測器陣列特性，其可以被儲存在記憶體中。該偵測器陣列特性包含陣列維度(例如，列數或行數)、偵測器間隔、偵測器形狀、和偵測器尺寸。在一實施例中，該偵測器陣列特性可包含X-/Y-方向未對準資訊。
在操作306，方法300決定組態。例如，操作306可以將絕對軌道108的圖案107和109疊加於偵測器122方塊之上(例如，圖4)以及決定哪一個或哪一些偵測器應該被開啟(ON)、關閉(OFF)、或者部分被開啟(ON)，而且進一步決定哪一些偵測器應該被指定給哪一個或哪一些通道。操作306可以計算針對一特定映射的擬合分數(fitting score)，例如基於該等偵測器與圖案107和109的幾何(算數上或者藉由模擬)匹配得多接近，或者編碼錯誤機率(藉由模擬)是多麼得低。操作306可以用絕對軌道108疊加於偵測器122方塊之上的不同分段來重複此過程，並且選出具有最高擬合分數或者是比使用者可以選擇的臨界值更好的映射。操作306也可以決定通道140中各種組件的設定，其包含比較器146的臨界值和遲滯。在其中該偵測器裝置110支援絕對式編碼和增量式編碼兩者的實施例中，操作306可以決定該兩者的組態。
在操作308，方法300將組態儲存至記憶體模組，諸如該編碼器裝置110中的記憶體模組或該編碼器裝置110外的記憶體模組。
圖12顯示操作編碼器系統100之範例方法500的流程圖，特別是具有可程式化偵測器陣列、可程式化連通網路、和可程式化通道的編碼器裝置110。微處理器或其他處理器藉由從電腦可讀媒體中讀取出碼並且執行該碼來提供本文中所討論的功能性而執行方法500的操作。
在操作502，該編碼器裝置110在啟動之後從記憶體模組中擷取出組態。該組態包含偵測器122的狀態指定(開啟(ON)、關閉(OFF)、或者部分被開啟(ON))、偵測器122的軌道指定(正交軌道或絕對軌道)、偵測器122的通道指定、比較器146的臨界值位準、以及該編碼器裝置110的各種其他設定。在一實施例中，編碼器裝置110可以運行內部的狀態機器(例如，使用圖10中的記憶體控制器162)，其讀取外部的非揮發性憶體來載入該組態。
在操作504，該偵測器陣列120中的各偵測器122被程式化於該組態中所定義的狀態，並且被指定給適當的通道(正交通道或絕對通道)。該連通網路130使用該偵測器到通道的映射而被適當地程式化。該等通道140係用適當的臨界值位準、遲滯、或其他設定來予以程式化。該程式化可以用該偵測器裝置110中的暫存器位元來予以施行。
在操作506，該偵測器裝置110實施光學偵測，其藉由回應於由碼盤104所調變的光而收集來自該偵測器陣列120上之不同指定區域的電流，碼盤104可以是旋轉或線性的，而且可以是透射式或反射式的。在操作508，該偵測器裝置110產生數位或類比輸出，用以編碼碼盤104的絕對位置(使用絕對軌道108)以及選項性地用以編碼碼盤104的移動(使用正交軌道106)。
雖然不打算來限制，但是本發明的一或更多個實施例可以提供許多好處給使用可程式化偵測器陣列的光學編碼器。大部分的習知光學編碼器設計使用固定圖案的相控陣列(phased array)來匹配特定的碼盤，因而避免對其他的碼盤使用相同的偵測器。相反地，本發明之各種實施例中的偵測器裝置可以被程式化而和各式各樣的碼盤一起工作，大大地增加了設計彈性以及降低與該偵測器裝置相關聯的成本。可以藉由主機微控制器、藉由該偵測器裝置本身使用具有內建電路(built-in circuit)的內部非揮發性記憶體、或者藉由使用在工廠中設定其組態的遮罩式唯讀記憶體(masked ROM)來程式化該偵測器裝置。此外，系統內可配置性(in-system configurability)對於有些實施例來說係可能的。編碼器製造商可以將一修補程式(patch)應用於一場域(field)中，在該產品已經被安裝在該場域中之後更新該組態。更進一步，缺乏可見的相控陣列圖案使得該設計較不易受到競爭對手複製的影響。
況且，該可程式化偵測器陣列也可以讓顧客能夠使用相同的偵測器裝置來發展不同性能等級的產品類型組合。因此，編碼器製造商可以用常見的硬體組合來提供不同的性能/中心價格(price point)，讓他們能夠在市場上不同地銷售他們的產品。
在一個代表性的態樣中，本發明係有關一編碼器系統。該編碼器系統包含一群可程式化偵測器，該等可程式化偵測器之各者係可操作來回應光學或磁性輸入而產生電流。該編碼器系統另包含一群可程式化通道，該等可程式化通道之各者係可操作來回應電流輸入而產生輸出，來自該等可程式化通道的輸出構成碼字的至少一部分，用以決定移動物體的絕對位置。該編碼器系統另包含一可程式化連通網路，該可程式化連通網路係耦接在該等可程式化偵測器與該等可程式化通道之間，並且可操作成將來自該等可程式化偵測器之至少一部分的電流編排路由至該等可程式化通道之各者。
在該編碼器系統的一實施例中，該等可程式化通道之各者包含具有可程式化臨界值位準的比較器。在另一實施例中，該等可程式化通道之各者包含一耦接在該比較器與該可程式化連通網路之間的轉換阻抗放大器，其中，該轉換阻抗放大器接收來自該等可程式化偵測器的電流。在又一實施例中，該比較器也具有可程式化遲滯。
在該編碼器系統的一實施例中，該等可程式化偵測器之各者係可操作成被設定於下面其中一個狀態，其包含：關閉(OFF)、部分開啟(partially ON)、全部開啟(fully ON)。在另一實施例中，該等可程式化偵測器係配置成具有列和行的陣列。在又一實施例中，同一行中的該等可程式化偵測器被編排路由至同一個可程式化通道。在仍一實施例中，同一行中之該等可程式化偵測器的至少其中一個可程式化偵測器被程式化為關閉(OFF)，而同一行中之該等可程式化偵測器的其它可程式化偵測器被程式化為開啟(ON)。
在另一實施例中，該編碼器系統另包含一增量式編碼通道，其輸出係可操作來決定移動物體的相對位置，其中，該可程式化連通網路係可操作成將來自該等可程式化偵測器之一些的電流編排路由至該增量式編碼通道。在又一實施例中，將電流供應至該增量式編碼通道的該等可程式化偵測器係與將電流供應至該等可程式化通道的該等可程式化偵測器分開。
在仍一實施例中，該編碼器系統另包含一控制器，係可操作成從一或更多個記憶體中讀取出一或更多個組態檔案，以及使用該一或更多個組態檔案來程式化該等可程式化偵測器、該等可程式化通道、和該可程式化連通網路。
在另一個代表性的態樣中，本發明係有關一編碼器系統。該編碼器系統包含一可操作來發射電磁波的發射器；可操作成以一圖案來調變該電磁波，產生經調變之電磁波的碼盤；以及可操作來接收該經調變之電磁波並且偵測該碼盤之至少絕對位置的接收器。該接收器包含可程式化偵測器，該等可程式化偵測器之各者係可操作來回應入射於其上之經調變的電磁波而產生電流。該接收器另包含可程式化通道，該等可程式化通道之各者係可操作來回應電流輸入而產生輸出，來自該等可程式化通道的輸出構成碼字的至少一部分，用以決定該碼盤的絕對位置。該接收器另包含一可程式化連通網路，該可程式化連通網路係耦接在該等可程式化偵測器與該等可程式化通道之間，並且可操作成將來自該等可程式化偵測器之至少一部分的電流編排路由至該等可程式化通道之各者。該接收器係可操作來接收一或更多個組態檔案，以及使用該一或更多個組態檔案來程式化該等可程式化偵測器、該等可程式化通道、和該可程式化連通網路。
在該編碼器系統的一實施例中，該等可程式化通道之各者包含具有可程式化臨界電壓位準的比較器。在該編碼器系統的一實施例中，該等可程式化偵測器係配置成多行，其中，同一行上的該等可程式化偵測器經由該可程式化連通網路而被編排路由至同一個可程式化通道。在另一實施例中，該可程式化連通網路係可操作成將該等可程式化偵測器的其中一行編排路由至該等可程式化通道的多個可程式化通道。在該編碼器系統的又一實施例中，該接收器係可進一步操作來偵測該碼盤的移動。
在又一個代表性的態樣中，本發明係有關一編碼器系統。該編碼器系統包含一陣列的光學偵測器。該等光學偵測器之各者係可操作成被程式化為包含開啟(ON)和關閉(OFF)之狀態的其中一者，其中，處於開啟(ON)狀態的光學偵測器係可操作成回應入射於其上的光而產生電流。該編碼器系統另包含一群通道。該等通道之各者係可操作來回應電流輸入而產生輸出，來自該等通道的輸出構成碼字的至少一部分，用以決定移動物體的絕對位置。該等通道之各者包含具有可程式化臨界值的電壓比較器。該編碼器系統另包含一可程式化連通網路，該可程式化連通網路係耦接在該等光學偵測器與該等通道之間，並且可操作成將來自該等光學偵測器的電流編排路由至該等通道。該可程式化連通網路係可操作成將該等光學偵測器的其中一行編排路由至多個通道，以及將該等光學偵測器的多行編排路由至一個通道。
在該編碼器系統的一實施例中，該等通道之各者另包含一耦接在該電壓比較器與該可程式化連通網路之間的轉換阻抗放大器。在該編碼器系統的一實施例中，該等通道的其中兩個通道被程式化來接收來自該等光學偵測器之不同數目者的電流。在另一實施例中，該等通道之該其中兩個通道中的比較器係以不同的臨界值來予以程式化。
在又另一個代表性的態樣中，本發明係有關一方法。該方法包含從記憶體模組中接收包含偵測器到通道的映射之組態；使用該組態來程式化具有一陣列之可程式化偵測器、一可程式化連通網路、和可程式化通道的偵測器裝置；以該偵測器裝置和具有絕對軌道的碼盤來實施光學偵測；以及產生對應於該碼盤之絕對位置的碼。在一實施例中，實施該光學偵測包含提供光源；將來自該光源的光投射至該絕對軌道；以及使用該偵測器裝置，接收透射過該絕對軌道或者由該絕對軌道所反射的光。在一實施例中，該方法另包含收集碼盤幾何；收集一陣列之可程式化偵測器的特性；基於該等碼盤幾何來決定該陣列之可程式化偵測器的組態，其中，該組態包含偵測器到通道的映射；以及將該組態儲存進記憶體模組中。在有些實施例中，決定該組態另包含決定該偵測器裝置之該等可程式化通道中之可程式化比較器的臨界值。
前面概述幾個實施例的特徵，使得習於此技藝者可以對本發明的態樣有較佳的了解。習於此技藝者應該認知到他們可以很容易地使用本發明做為設計或修改其他程序和結構的基礎，用以實施與本文中所介紹之實施例相同的目的及/或取得相同的益處。習於此技藝者也可以意識到此等等效結構並不背離本發明的精神和範疇，以及意識到他們可以在不背離本發明的精神和範疇的情況下達成各式各樣的改變、取代、和交替。
100‧‧‧編碼器系統
102‧‧‧光源
103‧‧‧中心軸線
104‧‧‧碼盤
106‧‧‧正交軌道
107‧‧‧透射圖案(或區域)
108‧‧‧絕對軌道
109‧‧‧不透光圖案(或區域)
110‧‧‧偵測器裝置(或編碼器裝置)
120‧‧‧可程式化偵測器陣列
122‧‧‧偵測器(或光偵測器)
122-1、122-2‧‧‧偵測器方塊
128‧‧‧輸出
128-1、128-2、128-3、128-4‧‧‧節點
130‧‧‧可程式化連通網路
130-1、130-2‧‧‧連通方塊
132-1、132-2、132-3、132-4‧‧‧開關
138‧‧‧輸出
138-1、138-2、138-3、138-4‧‧‧節點
139‧‧‧電壓信號
140、140-1、140-2、140-P‧‧‧可程式化通道
141‧‧‧電壓信號
142‧‧‧轉換阻抗放大器(TIA)
143‧‧‧濾波器
144‧‧‧增益級放大器
145‧‧‧內插器
146‧‧‧比較器(比較器-1)
147‧‧‧比較器(比較器-2)
148‧‧‧信號(輸出)
149‧‧‧比較器
150‧‧‧碼
152‧‧‧輸出
160‧‧‧控制線路
162‧‧‧記憶體控制器
300‧‧‧方法
302、304、306、308‧‧‧操作
500‧‧‧方法
502、504、506、508‧‧‧操作
當和附圖一起閱讀時，將從下面詳細的說明中對本發明的態樣有最佳的了解。要強調的是，依據工業上的標準施行，各種的特徵並未按尺寸繪出。實際上，各種特徵的尺寸為了討論上的清楚而可以被任意地增加或縮減。
圖1A、1B、和1C繪示依據一些實施例，具有旋轉碼盤(亦即，碼輪)的範例透射式光學編碼器。
圖2繪示依據一些實施例，具有線性碼盤(亦即，碼條)的範例反射式光學編碼器。
圖3顯示部分依據本發明的一些實施例，編碼器系統的示意圖。
圖4繪示依據一些實施例，由碼盤之絕對軌道(absolute track)所疊加(superimposed)的範例可程式化光偵測器陣列。
圖5顯示依據一些實施例，部分具有可程式化偵測器及可程式化連通網路(connectivity network)之編碼器系統的示意圖。
圖6顯示依據一些實施例，可程式化連通網路的一部份的範例實作。
圖7A、7B、和7C繪示依據一些實施例，範例光學編碼器積體電路(IC)的方塊圖。
圖8繪示依據一些實施例，實施正交軌道(quadrature-track)像素陣列連同絕對軌道像素陣列一起的範例。
圖9顯示依據一實施例，範例內插器(interpolator)電阻器梯(resistor ladder)的電路圖，該內插器電阻器梯將可程式化偵測器陣列的電流轉變成具有轉換阻抗放大器(transimpedance amplifiers (TIAs)的類比輸出。
圖10繪示依據一實施例，範例光學編碼器積體電路(IC)的方塊圖。
圖11顯示依據一些實施例，決定偵測器到通道的映射(detector-to-channel mapping)之範例方法的流程圖。
圖12顯示依據一些實施例，操作具有可程式化偵測器陣列的絕對式光學編碼器之範例方法的流程圖。

Claims (20)

  1. 一種編碼器系統，包括： 一群可程式化偵測器，該等可程式化偵測器之各者係可操作成回應光學或磁性輸入而產生電流； 一群可程式化通道，該等可程式化通道之各者係可操作成回應電流輸入而產生輸出，來自該等可程式化通道的該等輸出構成碼字的至少一部分，用以決定移動物體的絕對位置；以及 一可程式化連通網路，該可程式化連通網路係耦接在該等可程式化偵測器與該等可程式化通道之間，並且可操作成將來自該等可程式化偵測器之至少一部分可程式化偵測器的電流編排路由至該等可程式化通道之各者。
  2. 如請求項1的編碼器系統，其中，該等可程式化通道之各者包含具有可程式化臨界值位準的比較器。
  3. 如請求項2的編碼器系統，其中，該等可程式化通道之各者包含一耦接在該比較器與該可程式化連通網路之間的轉換阻抗放大器，其中，該轉換阻抗放大器接收來自該等可程式化偵測器的電流。
  4. 如請求項2的編碼器系統，其中，該比較器包括可程式化遲滯。
  5. 如請求項1的編碼器系統，其中，該等可程式化偵測器之各者係可操作成被設定於下面其中一個狀態，其包含：關閉(OFF)、部分開啟(partially ON)、全部開啟(fully ON)。
  6. 如請求項1的編碼器系統，其中，該等可程式化偵測器係配置成具有列和行的陣列。
  7. 如請求項6的編碼器系統，其中，同一行中的該等可程式化偵測器被編排路由至同一個可程式化通道。
  8. 如請求項7的編碼器系統，其中，同一行中之該等可程式化偵測器的至少其中一個可程式化偵測器被程式化為關閉(OFF)，而同一行中之該等可程式化偵測器的其它可程式化偵測器被程式化為開啟(ON)。
  9. 如請求項1的編碼器系統，另包括一增量式編碼通道，其輸出係可操作來決定該移動物體的相對位置，其中，該可程式化連通網路係可操作成將來自該等可程式化偵測器之一些可程式化偵測器的電流編排路由至該增量式編碼通道。
  10. 如請求項9的編碼器系統，其中，將電流供應至該增量式編碼通道的該等可程式化偵測器係與將電流供應至該等可程式化通道的該等可程式化偵測器分開。
  11. 如請求項1的編碼器系統，另包括： 控制器，係可操作成從一或更多個記憶體中讀取出一或更多個組態檔案，以及使用該一或更多個組態檔案來程式化該等可程式化偵測器、該等可程式化通道、和該可程式化連通網路。
  12. 一種編碼器系統，包括： 發射器，係可操作來發射電磁波； 碼盤，係可操作成以一圖案來調變該電磁波，產生經調變之電磁波；以及 接收器，係可操作來接收該經調變之電磁波並且偵測該碼盤的絕對位置， 其中，該接收器包含： 可程式化偵測器，該等可程式化偵測器之各者係可操作成回應入射於其上之該經調變的電磁波而產生電流； 可程式化通道，該等可程式化通道之各者係可操作成回應電流輸入而產生輸出，來自該等可程式化通道的輸出構成碼字的至少一部分，用以決定該碼盤的該等絕對位置；以及 一可程式化連通網路，該可程式化連通網路係耦接在該等可程式化偵測器與該等可程式化通道之間，並且可操作成將來自該等可程式化偵測器之至少一部分可程式化偵測器的電流編排路由至該等可程式化通道之各者， 其中，該接收器係可操作來接收一或更多個組態檔案，以及使用該一或更多個組態檔案來程式化該等可程式化偵測器、該等可程式化通道、和該可程式化連通網路。
  13. 如請求項12的編碼器系統，其中，該等可程式化通道之各者包含具有可程式化臨界電壓位準的比較器。
  14. 如請求項12的編碼器系統，其中，該等可程式化偵測器係配置成多行，其中，同一行上的該等可程式化偵測器經由該可程式化連通網路而被編排路由至同一個可程式化通道。
  15. 如請求項14的編碼器系統，其中，該可程式化連通網路係可操作成將該等可程式化偵測器的其中一行編排路由至該等可程式化通道的多個可程式化通道。
  16. 如請求項12的編碼器系統，其中，該接收器係可進一步操作來偵測該碼盤的移動。
  17. 一種編碼器系統，包括： 一陣列的光學偵測器，該等光學偵測器之各者係可操作成被程式化為包含開啟(ON)和關閉(OFF)之狀態的其中一者，其中，處於開啟(ON)狀態的光學偵測器係可操作成回應入射於其上的光而產生電流； 一群通道，該等通道之各者係可操作成回應電流輸入而產生輸出，來自該等通道的該等輸出構成碼字的至少一部分，用以決定移動物體的絕對位置，其中，該等通道之各者包含具有可程式化臨界值的電壓比較器；以及 一可程式化連通網路，該可程式化連通網路係耦接在該等光學偵測器與該等通道之間，並且可操作成將來自該等光學偵測器的電流編排路由至該等通道，其中，該可程式化連通網路係可操作成將該等光學偵測器的其中一行編排路由至多個通道，以及將該等光學偵測器的多行編排路由至一個通道。
  18. 如請求項17的編碼器系統，其中，該等通道之各者另包含一耦接在該電壓比較器與該可程式化連通網路之間的轉換阻抗放大器。
  19. 如請求項17的編碼器系統，其中，該等通道的其中兩個通道被程式化成接收來自該等光學偵測器之不同數目者的電流。
  20. 如請求項19的編碼器系統，其中，該等通道之該其中兩個通道中的該等比較器係以不同的臨界值來予以程式化。
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