非图像式绝对式光电编码器的信号采集处理装置及方法与流程

本发明涉及光电编码器数据处理技术领域，具体涉及非图像式绝对式光电编码器的信号采集处理装置及方法。

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。绝对式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。分辨率和精度是绝对式光电编码器的两个重要参数，精度可以通过校正算法获得提高，故如何提高分辨率就显得尤为重要。目前绝对式光电编码器中除图像式绝对式光电编码器外，信号处理都是通过对光电接收二极管的输出信号进行放大，然后通过微处理器自带的ad转换模块采集信号，微处理器再进行处理实现的。目前主要的提高非图像式绝对式光电编码器的分辨率方法为增加光电码盘的原始刻线数，同时利用微处理器(单片机、arm或dsp)自带的ad转换模块采集精码信号后细分，并与ad转换模块采集的粗码结合后实现的。由于粗码译码后的位数是固定的，要提高分辨率需要增加精码细分的位数。但微处理器的ad分辨率不高一般为10位或12位，这样精码细分的位数不会超过12位，超过了就会出现细分的低几位不稳的现象，往往为了提高非图像式光电编码器的分辨率需要增加光电码盘的原始刻线数，即在最后一圈粗码码道图案外加精码码道用于提高分辨率。这样增大了光电码盘的面积，光电编码器的体积因而增大，同时原始刻线数的增加消耗更多的原材料，提高成本，且使装调更复杂。因此，亟需一种在同样的码盘原始刻线条件下，即：不增加码盘原始刻线，使光电编码器获得具有更高的分辨率。

技术实现要素：

为了解决在不增加现有非图像式绝对式光电编码器的光电码盘原始刻线的情况下，光电编码器分辨率低的问题，本发明提供非图像式绝对式光电编码器的信号采集处理装置及方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

非图像式绝对式光电编码器的信号采集处理装置，包括感光单元、放大器、模数转换器、微处理器和通信电路，所述微处理器上载有连接通信电路的处理模块和连接处理模块的ad转换模块，ad转换模块和放大器均连接感光单元，放大器、模数转换器和处理模块顺次连接；

感光单元通过探测光信号获得粗码信号和精码信号，感光单元得到的粗码信号经ad转换模块进行模数转换后发送至处理模块，感光单元得到的精码信号依次经放大器放大、模数转换器模数转换后发送至处理模块，处理模块处理接收到的粗码信号和精码信号得出编码器的角度值。

非图像式绝对式光电编码器的信号采集处理装置的信号采集处理方法，包括如下步骤：

步骤一、感光单元探测光信号获得粗码信号和精码信号，放大器接收感光单元发送的精码信号进行放大后发送至模数转换器，模数转换器对接收的精码信号进行模数转换后发送至处理模块，ad转换模块接收感光单元发送的粗码信号并对粗码信号进行模数转换后发送至处理模块；

步骤二、处理模块将接收的精码信号进行处理得到精码细分值，将粗码信号进行处理得到粗码二进制角度；

步骤三、处理模块根据精码细分值和粗码二进制角度进行换算得出编码器的角度值，并通过通信电路输出。

本发明的有益效果是：

本发明的信号采集处理装置通过采用高分辨率的模数转换器采集精码信号、仍采用ad转换模块采集粗码信号，避免了因增加光电码盘原始刻线数造成的光电编码器体积增大和装调复杂的问题，解决了现有非图像式绝对式光电编码器在不增加光电码盘原始刻线的情况下提高分辨率的技术难题，粗码信号无需使用高分辨率的模数转换装置，保证电路功耗不至于过高。信号采集处理装置的信号处理方法能保证编码器更高达到的细分位数。

附图说明

图1为非图像式绝对式光电编码器的原理示意图。

图2为本发明的信号采集处理装置的原理示意图

图中：1、光源，2、定光栅，3、光电码盘，4、信号采集处理装置，5、感光单元，6、微处理器，7、ad转换模块，8、处理模块，9、放大器，10、模数转换器，11、通信电路。

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。

非图像式绝对式光电编码器包括光源1、定光栅2、光电码盘3和信号采集处理装置4。信号采集处理装置4即测量转换单元，用于通过探测光信号获得电信号(粗码信号和精码信号)、并对电信号进行信号处理得到二进制角度值。非图像式绝对式光电编码器的总体原理示意图如图1所示，信号采集处理装置4包括感光单元5、连接感光单元5的微处理器6和连接微处理器6的通信电路11，感光单元5通过探测光信号获得粗码信号和精码信号，光源1采用发光二极管，感光单元5采用光电接收管，光电码盘3上有粗码码道和精码码道，定光栅2在对应的粗码码道处设置狭缝、在对应的精码码道处设置光栅图案，发光二极管和接收二极管分别位于光电码盘3和定光栅2的两侧。这样，当光电码盘3相对定光栅2转动时，发光二极管发出的光经光电码盘3，在定光栅2的狭缝处的获得的信号为粗码信号，在定光栅2的光栅图案处获得的信号为精码信号。粗码信号为多通道方波信号，而精码信号为由于光的干涉现象形成的正弦波信号和余弦波信号。粗码信号代表运动的绝对位置但分辨率不高，精码信号则给出了更高分辨率的角位移，但无法给出绝对位置。因此，需要将两种信号结合起来，实现绝对位置测量且高分辨率。光源1发出的光经定光栅2和光电码盘3后感光单元5探测光信号并转换成电信号，即感光单元5得到粗码信号和精码信号，微处理器6得到感光单元5的粗码信号和精码信号并处理后得到二进制角度值，然后微处理器6将二进制角度值通过通信电路11传输至上级系统。

本发明非图像式绝对式光电编码器的信号采集处理装置4，如图2所示，为新型的信号采集处理装置4的原理框图，信号采集处理装置4包括感光单元5、模数转换器10、放大器9、微处理器6和通信电路11，微处理器6上载有处理模块8和ad转换模块7。感光单元5、放大器9和模数转换器10顺次连接，模数转换器10连接微处理器6的处理模块8，模数转换器10用于采集感光单元5的精码信号，具体为采集由感光单元5发出的、并经由放大器9放大后的精码信号。ad转换模块7连接感光单元5，ad转换模块7用于采集感光单元5的粗码信号。处理模块8和ad转换模块7连接，通信电路11连接处理模块8。

感光单元5通过探测光信号获得粗码信号和精码信号，ad转换模块7采集感光单元5获得的粗码信号、将粗码信号从模拟信号转换为数字信号后发送至微处理器6的处理模块8，感光单元5获得的精码信号(正弦和余弦)经放大器9放大得到放大的精码信号，模数转换器10采集放大器9放大的精码信号、并将放大的精码信号从模拟信号转换为数字信号后发送至微处理器6的处理模块8，微处理器6的处理模块8对粗码信号和精码信号进行处理得出编码器的角度值并输出。

模数转换器10将模拟信号每个单调区间转化输出数字信号值的个数大于所述非图像式绝对式光电编码器预达到的细分位数，也就是说，模拟信号任意一个单调区间的信号经过模数转换器10转化为离散点的个数为m个，非图像式绝对式光电编码器预达到的细分位数为n位，则m>n，其中m和n均为正整数。精码信号在模数转换器10转换前为模拟信号，即正弦和余弦，在模数转换器10转换后精码信号为数字信号。本实施方式中ad转换模块7采用12位ad转换模块7，模数转换器10采用24位模数转换器10。

本发明非图像式绝对式光电编码器的信号采集处理装置4的信号采集处理方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、感光单元5探测光信号获得粗码信号和精码信号，感光单元5将粗码信号发送至ad转换模块7、精码信号发送至放大器9，放大器9将感光单元5发送的精码信号放大得到放大的精码信号，模数转换器10将放大后的精码信号进行模数转换后发送至微处理器6的处理模块8，ad转换模块7采集感光单元5发送的粗码信号，ad转换模块7进行模数转换后发送至处理模块8；

感光单元5发送的精码信号为正弦精码信号和余弦精码信号，经放大器9放大后的精码信号峰峰值为v，放大器9将其放大后的精码信号传输给参考电压为vref的24位模数转换器10进行转换，24位模数转换器10将放大器9发送的放大后的精码信号转换为数字信号发送至微处理器6的处理模块8。

步骤一前还可包括信号采集处理装置4初始化的过程。

步骤二、处理模块8将精码信号进行处理(即细分)得到精码细分值，即二进制精码；将粗码信号进行处理(即译码)得到粗码二进制角度，即二进制粗码。

具体为：处理模块8内载有n个反正切数据和n个正切数据，且反正切数据和正切数据一一对应，即处理模块8内载有细分表格，细分表格包括n个反正切数据和n个一一对应反正切数据的正切数据，例如用12位模数转换器10采集的精码信号，那么所做的细分表格的数据的个数为4096个，细分表格内的每个数据为12位二进制数。处理模块8将正弦精码信号和余弦精码信号做除法运算得到正切值，正切值作为地址去查细分表格得到对应的反正切数据，即得到了高分辨率的二进制精码，称为精码细分值；处理模块8将粗码信号转换成二进制方波信号，然后译码成二进制粗码。

24位模数转换器10的分辨率为：

nad＝vref/2²⁴

在此分辨率下，峰峰值为v的放大后的精码信号经过正切运算得到的地址的个数n为：

n＝(v×2²⁴)/vref

所以得到的反正切数据的个数也为n个，由上式可见n的大小与精码信号峰峰值及模数转换器10的参考电压和分辨率有关。在精码信号峰峰值及模数转换器10的参考电压一定的情况下，模数转换器10分辨率越高，n越大，用到的精码细分表格地址越多，自然细分的位数也越高。

经过反正切细分运算得到二进制的精码。为了计算方便，通常如上述的将反正切提前计算好做成地址与数据一一对应的表格，直接计算精码信号正切值作为地址，然后查表即可。用于正切运算的精码信号(正弦和余弦)则来自模数转换器10采集。

粗码则首先需要处理模块8整形成方波；

若粗码信号电压vcoarse大于vset，粗码被设置成二进制的一，反之则为零，如下式所示：

其中coarse表示译码后的粗码二进制方波值，vset表示电压阈值，vset大小一般按如下所示计算：

其中vmax表示方波电压最大值，vmin表示方波电压最小值；

这样将粗码信号转换成二进制方波信号，然后译码成二进制粗码。

步骤三、处理模块8根据精码细分值和粗码二进制角度进行换算得出编码器的角度值，并通过通信电路11输出。

处理模块8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，就得到二进制角度值。最后处理模块8得到的二进制角度值通信电路11的得到的将该角度值通过与上级系统的通信协议传送给上级系统，完成光电编码器的测角功能，同时获得更高分辨率的角度信息。

例如，当放大后的精码信号峰峰值v＝2伏，vref＝5伏时，采用24位分辨率的模数转换器10时，得到的n＝6710886>4194304＝2²²，因此可得到精码细分得到的二进制精码位数为22位，经过步骤四的精码细分值和粗码二进制角度结合换算后得到光电编码器的二进制角度分辨率最高为34位，即为(7.54×10^-5)"。若采用12位模数转换器10，得到n＝1638>1024＝2¹⁰，所以精码细分的得到的二进制精码位数最多10位，精粗结合换算后得到光电编码器的二进制角度分辨率最高为22位，即为0.31"；若用此12位模数转换器10，得到4096即12位精码细分位数，细分的后两位为随机数，出现后两位站不稳的状态，也就是在这种情况下精码细分不能达到12位。由此，可见在同样条件下，采用24位分辨率的模数转换器10能够将光电编码器的二进制角度分辨率提高12位。

本发明的信号采集处理装置4用于非图像式绝对式光电编码器，通过采用高分辨率的模数转换器10采集精码信号送给微处理器6进行高位细分运算，获得更多位数的二进制精码，利用现有微处理器6自带分辨率不高的ad转换模块7采集粗码信号，将粗码与精码结合就得到高分辨率的二进制角度值。本发明的信号采集处理装置4避免了因增加光电码盘3原始刻线数造成的光电编码器体积增大和装调复杂的问题，解决了现有非图像式绝对式光电编码器在不增加光电码盘3原始刻线的情况下提高分辨率的技术难题。粗码信号无需使用高分辨率的模数转换装置，保证电路功耗不至于过高。信号采集处理装置4的信号处理方法能保证编码器更高达到的细分位数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。