專利名稱：編碼器自校準裝置和方法
交叉引用部分本申請要求于2001年11月2日遞交的臨時申請60/336,038的優(yōu)先權。
背景技術：
編碼器正變得越來越復雜并具有高的精度，其裝配和對準也變得越來越嚴格。一些編碼器是完全密封的單元且因此在工廠理想的條件下被定位和校準。另一方面，其它一些編碼器例如本發(fā)明的受讓人出售的編碼器，以元件或者子系統(tǒng)的形式提供給用戶。此方案有幾方面的益處，但它排除了全部工廠裝配/對準。因此，已經(jīng)設計出了各種各樣的裝置來幫助用戶安裝和裝配這種類型的編碼器。
在幫助用戶裝配這些編碼器的早期的嘗試僅包括在電子裝置及后隨的系統(tǒng)寫入程序中設置一組測試點。最近，在編碼器電子裝置中包含各種感測電路來顯示正確的對準和/或告知用戶關于校準調節(jié)的情況。
已有技術的對準幫助不提供自動校準特征。最好也只是給出信號強度的一般指示(例如電子正弦曲線太弱或太強)。對于較佳的操作，正交信號間的相對相位應當盡可能地接近于90°，其相對增益應使相等及其各自的偏移應被設為零。另外的可能是，這些校準操作對用戶來講應當是清楚明白的(也就是說，不要求用戶進行精細的電調整)。
除了這些校準以外，現(xiàn)代的編碼器還具有指示(或者參考)標記。每一次標尺相對于編碼器頭在相同位置時將產(chǎn)生輸出的指標脈沖。對本發(fā)明來說要解決的另一個問題是必須校準指標脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)以使在編碼器測量的LSB中的在同一個標尺位置產(chǎn)生該指標脈沖。

發(fā)明內容
建立在處理單元中的電路系統(tǒng)和固件邏輯電路允許用戶通過在頭下簡單地運行幾次編碼器標尺就可以快速裝配編碼器。連接器上的指示光通知用戶關于處理器和編碼器的狀態(tài)。
在自校準周期期間，編碼器處理器能根據(jù)放大器的增益、偏移及信號正交相位的移位來自動調整自己。另外，所公開的方法自動地將指標脈沖放置在指示窗中心附近，指示窗相對于“零位置”條紋具有1LSB重復性。另外，所公開的裝置通過簡單的LED顯示器將其狀態(tài)傳達給用戶，以致執(zhí)行所有的這些操作都不需要外部的測試或監(jiān)測裝置。
另一方面，本發(fā)明提供一種校準該類型的光學編碼器的方法，該編碼器產(chǎn)生兩個模擬的正交信號x、y。該方法包括產(chǎn)生模擬信號x、y的多個數(shù)字采樣xi、yi的步驟，i是從1-n的整數(shù)且n大于1。該方法還包括根據(jù)下面等式產(chǎn)生多個校準的采樣Xi、Yi的步驟，Xi＝(xi+Oxi+Pi×yi)×GxiYi＝(yi+Oyi)×Gyi其中Gxi和Gyi是定標系數(shù)，Oxi和Oyi是偏移系數(shù)，Pi是相位系數(shù)。
該方法還包括根據(jù)等式Mi=Xi2+Yi2]]>φi=ATAN[YiXi]]]>產(chǎn)生多個量值為Mi相位φi的采樣，其中Mi和φi根據(jù)等式Vi＝Miexp(jφi)定義相量Vi的一個采樣。相量Vi可以由平面坐標系中的線段表示。該相量具有第一端和第二端。第一端落在坐標系的原點。第二端在由相對于x軸的等于相位φi的一角度確定的方向上距離第一端的距離等于量值Mi。該方法還包括提供定標系數(shù)Gx1和Gy1，偏移系數(shù)Oxi和Oy1，及相位系數(shù)P1的初始值。該方法還包括調整定標系數(shù)、偏移系數(shù)及相位系數(shù)的值以使Gxi+1等于Gxi或者Gxi加上/減去一個增量的調整值，Gyi+1等于Gyi或者Gyi加上/減去一個增量的調整值，Oxi+1等于Oxi或者Oxi加上/減去一個增量的調整值，Oyi+1等于Oyi或者Oyi加上/減去一個增量的調整值，及Pi+1等于Pi或者Pi加上/減去一個增量的調整值。
系數(shù)的增量調整被確定以使移動更靠近一個一坐標系原點為圓心的預定半徑的圓(例如是一單位圓)的向量的第二端。特別是，系數(shù)的增量調整使得假設的相量V′i的第二端和單位圓之間的距離小于或者等于相量Vi的第二端和該圓之間的距離。假設的向量V′i由下面的等式確定X′i＝(xi+Oxi+1+Pi+1×yi)×Gxi+1
Y′i＝(yi+Oyi+1)×Gyi+1M′i=Xi′2+Yi′2]]>φ′i=ATAN[Y′iX′i]]]>V′i＝M′iexp(jφ′i)在該方法的另一可選擇放案中，當Vi落在圓的其中一半上時，系數(shù)Gxi和Oxi可被調整一次，且不再被調整直到Vk落在圓的另一半上，k大于i。在另一個可替換放案中，當Vi落在圓的左半邊上時，系數(shù)Gxi和Oxi可被調整一次，且不再被調整直到Vk落在圓的右半邊上，k大于i。在另一可替換放案中，當Vi落在圓的其中一半上時，系數(shù)Gyi和Oyi可被調整一次，且不再被調整直到Vk落在圓的另一半上，k大于i。在另一可替換方案中，當Vi落在圓的上半部上時，系數(shù)Gyi和Oyi可被調整一次，且不再被調整直到Vk落在圓的下半部上，k大于i。在另一可替換方案中，當Vi落在圓的四分之一圓周上時，系數(shù)Pi可被調整一次，且不再被調整直到Vk落在圓的不同的另一四分之一圓周上，k大于i。另外，系數(shù)的值也可以根據(jù)下表進行調整

其中的增量值“1”是一個最低有效比特。
另一個方面，本發(fā)明提供一種處理光學編碼器產(chǎn)生的信號的方法。該方法包括根據(jù)等式φi=ATAN[YiXi]]]>產(chǎn)生相位φi的采樣，這里的Xi和Yi是從編碼器接收到的正交信號的采樣，這里i是整數(shù)值且在1-n中，n是整數(shù)。
該方法還包括產(chǎn)生一計數(shù)。每當測量的模2π的相位經(jīng)過單位圓的第四個四分之一圓到單位圓的第一個四分之一圓時，計數(shù)就增加1。每當測量到的模2π的相位經(jīng)過單位圓的第一個四分之一圓到單位圓的第四個四分之一圓時，計數(shù)就減少1。第四個四分之一圓是從 角延伸至2π角。第一個四分之一圓是從角度0至 角。該方法還進一步包括通過以下方式以A平方B(A quad B)的格式生成兩個短脈沖串輸出信號產(chǎn)生代表計數(shù)和相位φi的一整數(shù)；使用已知的計數(shù)A平方B格式信號中的轉變的方法，計數(shù)A平方B短脈沖串輸出信號中的轉變而產(chǎn)生一運行和(running sum)；產(chǎn)生代表該整數(shù)和運行和之間的差的帶符號的差值；在A平方B短脈沖串輸出信號中產(chǎn)生轉變直到該帶有符號的差值為零。
在該方法中，相位φi的采樣可被表示為具有Dmax比特的二進制數(shù)，Dmax是一預先確定的整數(shù)。該整數(shù)可被表示為具有d比特的二進制數(shù)，d是一預先確定的整數(shù)。該整數(shù)具有D個最低有效比特和d減去D個最高有效比特，D是用戶選擇的整數(shù)其大于零小于d并且小于Dmax。通過將該整數(shù)的D個最低有效比特設置等于相位φi的D個最高有效比特，且通過將該整數(shù)的d減去D個最高有效比特設置等于該計數(shù)的d減去D個最低有效比特來生成該整數(shù)。可選擇地，D是滿足等式D≥Dmax+log(S)/log(2)的最小整數(shù)，S是用戶選擇的比例因子。該方法可以包括產(chǎn)生標定相位θi，等于相位φI乘以用戶選擇的比例因子S之積?？赏ㄟ^將該整數(shù)的D個最低有效比特設置等于標定相位θi的D個最低有效比特來生成整數(shù)，及通過將該整數(shù)的d減去D個最低有效比特設置等于d減去D個最高有效比特來生成該整數(shù)。
在另一個方面，本發(fā)明提供一種用于光學編碼器的產(chǎn)生指標信號的方法。編碼器產(chǎn)生指示一標尺相對于傳感器頭的位置的擬正弦曲線的正交信號。該編碼器還產(chǎn)生一個窗口信號。該窗口信號的特征在于無論何時指標標記與傳感器頭對準就具有一高值。該窗口信號的特征在于無論何時標尺的指標標記與傳感器頭對準就具有一低值。該方法包括當窗口信號從低值轉變?yōu)楦咧禃r設置一第一數(shù)等于該相位的值；當窗口信號從高值轉變?yōu)榈椭禃r設置一第二數(shù)等于該相位的值。如果第一數(shù)和第二數(shù)之間的差值大于π而小于3π，相位指標可被設置為等于第一數(shù)和第二數(shù)之間的值。該方法包括無論何時窗口信號具有高值的特性并且當相位基本等于相位指標時，就產(chǎn)生該指標信號。相位指標可被設置為等于第一數(shù)和第二數(shù)的中間值。在窗口信號轉變時記錄相位值及設置相位指標的步驟僅在收到校準指令之后被執(zhí)行。當窗口信號為高值的特性時給用戶一個指示?？赏ㄟ^啟動一個光源來提供給用戶一個指示。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的編碼器處理電子裝置的框圖。
圖2所示為圖1中所示相位處理器的框圖。
圖3所示為根據(jù)本發(fā)明作出的校準調節(jié)。
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的指標點的計算。
圖5所示為根據(jù)本發(fā)明計算指標點的框圖。
圖6A和6B所示分別為根據(jù)本發(fā)明的連接器外殼處理電子裝置的頂視圖和側視圖。
圖7所示為A平方B信號及一指標脈沖。
圖8A所示為編碼器中一標尺的運動。
圖8B和8E所示分別為編碼器所產(chǎn)生的正弦信號和余弦信號。
圖8C和8F所示分別為編碼器產(chǎn)生的A平方B的A部分和B部分。
圖8D和8G所示分別為根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的A平方B短脈沖串信號的A部分和B部分。
圖9所示為根據(jù)本發(fā)明的如圖8D和8G所示的生成信號方法的框圖。
圖10所示為根據(jù)本發(fā)明的用戶接口的邏輯裝置與用戶通信的方法。
具體實施例方式
圖1所示為光學編碼器系統(tǒng)10，該系統(tǒng)包括傳感器頭50，用來觀測標尺60的相對運動；及相關聯(lián)的信號處理電子裝置100。如下所述，處理電子裝置100自動校準編碼器位置測量電路及指標脈沖產(chǎn)生電路。電子裝置100最好以包含固件可編程邏輯電路的小型化形式被實現(xiàn)，然而，該電子裝置100的其它可實現(xiàn)方式也包含在本發(fā)明中。
傳感器頭傳感器頭50和標尺60最好以已知的方式結合以產(chǎn)生兩個信號族。一個信號族提供關于標尺相對于傳感器頭的位移的信息。這些信號是正交信號70。第二個信號族是指標窗口信號80；當標尺60上的一特定位置經(jīng)過傳感器頭50時，這些信號就發(fā)出顯示。
在一個優(yōu)選實施方式中，傳感器頭50內部的模擬正交信號具有與標尺60的位移相關的通常為正弦的強度變化。這些“x”和“y”信號相位被理想地相互移位90度。這些模擬信號在傳感器頭50中通過模-數(shù)轉換器55被典型地采樣并轉換為數(shù)字值；數(shù)字輸出值70在圖2中被分別表示為“Xi”和“Yi”，這里的下標“i”表示這些值是采樣值。如圖1和圖2中所示，信號70傳遞至相位處理器101，在其中確定它們的瞬間相位。圖2所示為相位處理器101的方框圖，下面將描述其功能模塊。
自激校準采樣值傳輸至校準模塊115，校準模塊115使用以下公式施加定標(Gxi和Gyi)，偏移(Oxi和Oyi)，及相位(Pi)校準值Xi＝(xi+Oxi+Pi×yi)×GxiYi＝(yi+Oyi)×Gyi(1)其中Xi和Yi是校準之后的正交信號73。類似的公式在已有技術中已被使用。這些可選擇的公式不能在所有的條件下適當?shù)丶s束和/或不適于相位校準值。公式(1)最好與下面所討論到的增量系數(shù)發(fā)生器155相結合，以在所有最初的條件和隨后的條件下取得校準值的適當約束。
總起來說，定標、偏移和相位校準值到達電路115作為校準值，如同圖2中所示。在優(yōu)選實施例中，校準電路115以及圖2中所示的相位處理器的所有其他部分以使用處理電路100中的非易失性存儲器中的固件程序的現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)來實現(xiàn)。為清楚起見，圖中所示的各種處理功能被示為分離的功能塊。當然，至少一個集成的相位處理器也包含在發(fā)明中。
相位估計器校準后正交信號73在相位估計器125中被處理，以形成一相量的矢量量值Mi76和相位φi75的估計值，該相量與兩個正交信號相對應。該量值和相位估計值最好使用稱之為CORDIC數(shù)學生成。CORDIC數(shù)學在已有技術中是已知的，但是其它的處理方法也可以使用。
相位估計器接收兩個校準后信號73并根據(jù)公式估計其量值和相位Mi=Xi2+Yi2]]>φI=ATAN[YiXi]]]>這兩個處理值被分配給處理電路中的幾個另外的模塊。
與量值和相位采樣對應的一采樣的相量由公式Vi＝Miexp(jφI)所定義，Vi是該相量，j是-1的復數(shù)平方根。
系數(shù)發(fā)生器系數(shù)發(fā)生器功能模塊155使用相位75和量值76的值以調節(jié)校準模塊115中應用的校準系數(shù)。如圖3和下表1中所示，系數(shù)發(fā)生器模塊155采用一系列的邏輯測試來決定相位75和量值76表示的相量156是否位于單位圓157。如果相量156不在單位圓157上，該模塊增加/縮減不同的校準系數(shù)77直到該相量位于圓上。每一個增加/縮減都很小，以致對校準系數(shù)的任一次調節(jié)的影響幾乎察覺不到。
邏輯測試可以提供多種規(guī)則來實施。例如，系數(shù)發(fā)生器模塊155可以在每次記錄每一采樣相位時實施這些測試?？商鎿Q地，在一優(yōu)選實施例中，測試僅僅當相量的當前相位角與對校準系數(shù)作出最后調整的相位值在不同象限時被實施。該優(yōu)選的模式防止相同的修正在標尺沒有移動過傳感器頭時一次又一次地實施。另一個可選擇是，將傳感器校準一次，以適應制造和/或初始裝配的影響，且然后為以后的測量鎖定這些校準值在其中(或至少到施加重新校準命令)。
這些測試的實施結合附圖3予以說明，其所示幾乎是純粹正X偏移的例子。圖3所示為單位圓157。理想地，由相位估計器125產(chǎn)生的量值Mi總是等于1(在圖3圖表的刻度上)，致使對應相量的端點位于單位圓157上。然而，校準偏移可以導致位移離開單位圓上的一些相量。圖3所示為所有產(chǎn)生的相量位于圓158上，該圓158在正X方向上移離單位圓的情況。當相位估計器125產(chǎn)生的相量的端點在點1(此處的相位大約是10度)X值就太大(也就是在單位圓的外部)。在移動點1到單位圓的嘗試中，模塊155遞增地減小增益，Gxi，并使偏移Oxi，輕微地變負。接下來，當相位被注明為大約180度時(圖3中的點2)，X值太小(也就是說在單位圓內)，以致在將點2移出到單位圓上的嘗試中，該模塊遞增地增大增益并使偏移稍多變負。模塊155最好繼續(xù)調整校準系數(shù)直到相量的所有值落在單位圓上。注意到上面實例中，增益交替地減少與增加，凈合成至無變化，當偏移連續(xù)地為更多負時，對最初的正X偏移進行適當?shù)匦Ｕ?br> 表1所示為模塊155使用的一組優(yōu)選的邏輯測試。如表格第一行所示，如果當前相量的相位值在348.75°和11.25°之間，并且當前相量的量值大于一，則模塊155將校正比例因子Gx和Gy減少一個最低有效比特。表1所示為模塊155對當前相量的所有相位值和量值進行優(yōu)選的測試并進行調整，然而，顯然其它組的測試與調整也可以同樣采用。

條紋計數(shù)器圖2中所示的條紋計數(shù)器模塊137，識別其中跨過2π的邊界的相位測量。來自每一組校準的正交信號73的記號比特被傳送至條紋計數(shù)器模塊137。這些記號比特是眾所周知的在其中有一相量的單位圓的象限指示符。因此，每次相量(信號73所表示的)分別從第四象限傳至第一象限或者相反時，模塊137增加或者減少條紋計數(shù)。條紋計數(shù)器137的輸出，條紋計數(shù)78，在輸出字150中提供一個較高階比特，下面將對其描述。
相位輸出從相位處理電子裝置101的輸出信號可以是數(shù)字字150(DW)或是一對邏輯電平脈沖串151，152，工業(yè)上稱之為A平方B(AQB)。圖7所示為第二種格式，包括兩個相位移位的脈沖串151，152，其中每一個轉變代表一個LSB的相位的變化。圖8A-G所示為這些脈沖串如何與下面的標尺位置相關及由編碼器頭生成的正交信號相關，為清楚起見，AQB被示出沒有額外插入值，也就是每一個AQB信號在正交信號70的每一個循環(huán)中在高和低的兩種狀態(tài)之間轉換一次，允許1/4周期的位置分辨力。
圖8A所示為假定的標尺運動的圖形，其中標尺在一段時間內沿一個方向勻速移動，停止并等待，接著沿路徑返回。圖8B和8E說明了正交信號70。注意僅由于標尺的移動是恒速的，這些信號呈現(xiàn)為真正的正弦曲線。圖8C和8F說明了工業(yè)AQB標準A和B信號。通過計數(shù)AQB信號中的轉變來確定位置。兩個狀態(tài)間的每一次轉變都代表單個計數(shù)(或者LSB)的改變。通過檢測兩個信號轉變之前和之后的狀態(tài)的簡單組合的邏輯規(guī)則來確定運動的方向。最后，圖8D和8G表示本發(fā)明的狀態(tài)發(fā)生器135的短脈沖串發(fā)生器137所產(chǎn)生的AQB短脈沖串信號151，152。
如圖2中所示，狀態(tài)發(fā)生器135通過把相位75和條紋計數(shù)78結合成單個數(shù)字字150以產(chǎn)生這些輸出信號，該數(shù)字字150代表距離一些指標位置的總的未纏繞(unwrapped)相位。當條紋計數(shù)78形成上部比特時，數(shù)字相位75形成數(shù)字字150的LSB。這樣的結合在已有技術中是公知的。狀態(tài)發(fā)生器比較新的數(shù)字字150和相位處理器101的當前AQB的輸出狀態(tài)，并控制短脈沖串發(fā)生器137使得短脈沖串信號151，152的輸出狀態(tài)代表數(shù)字字150。
圖9所示為從狀態(tài)發(fā)生器135產(chǎn)生AQB短脈沖信號151，152的較佳實現(xiàn)方式的流程圖。狀態(tài)發(fā)生器135最好包含一個內部的累加器，步驟901保持來自短脈沖串發(fā)生器137轉變的運行和。該運行和在步驟902與當前的在步驟903測量的數(shù)字輸出字150相比較?；谏鲜龅谋容^，狀態(tài)發(fā)生器控制短脈沖串發(fā)生器137以更新在短脈沖串信號150，151中的傳輸?shù)拿}沖數(shù)。如果比較顯示這些值相等，當然就不需要變化(步驟906)。另一方面，如果有差異，短脈沖串發(fā)生器137(步驟904)就被命令在短脈沖串信號線151，152上產(chǎn)生傳輸?shù)母咚俎D變串。短脈沖串發(fā)生器使用AQB編碼正確地編碼編碼順序；也就是說，重建A和B信號的正確的相位使得標準的AQB解碼器適當?shù)亟忉尶傆嫈?shù)中的增加或減少。步驟905中AQB信號通過解碼電路反饋給累加器。當累加器中的運行計數(shù)等于數(shù)字字150時，在步驟902的比較就會關斷短脈沖串發(fā)生器137。
返回圖8，短脈沖串發(fā)生器137的操作在圖8D和8G中分別就A和B信號被示出。每一條垂直的虛線表示取一數(shù)字相位取樣的時間。然而在常規(guī)的AQB信號中轉變與正交信號70的改變相位是同步發(fā)生的，在短脈沖串信號151，152中，所有的轉變緊接取得數(shù)字取樣后發(fā)生。如黑體箭頭所示，常規(guī)AQB的每一個轉變在短脈沖串信號上都有一個相應的轉變，確保累計的計數(shù)是正確的。
如圖8和圖9所示，短脈沖串AQB輸出的改變通過每個新的數(shù)字相位測量150而被起始。然而，當下一測量到達時，短脈沖串發(fā)生器仍在運行是可能的(例如，如果在前面的數(shù)字采樣中已經(jīng)有了一個很大的位置變化)。前述的反饋環(huán)路確保即使在“超限(overrun)”的條件下，AQB的輸出也能“追上(catch up)”測量位置，因為短脈沖串發(fā)生器保持運行直到步驟902的比較是令人滿意的。
狀態(tài)發(fā)生器135還在輸出流中結合指標信息。如圖1和2所示，指標邏輯200提供一個單個，數(shù)字的指標相位值210至狀態(tài)發(fā)生器135中。在A平方B的輸出模式中，一分開的指標輸出線153被提供。在當測量到的相位準確地等于指標值的時間期間，狀態(tài)發(fā)生器135提高指標輸出線153至為邏輯“高”。這樣，如圖7中所示，一個LSB長脈沖154在短脈沖串脈沖期間被發(fā)送，該短脈沖串將相位計數(shù)從指標的一邊移動到另一邊。當然，如果標尺剛好準確停在指標相位上指標的輸出線153將一直保持高的不確定性。
狀態(tài)發(fā)生器還可以接收一編程信號(未示出)，該編程信號改變輸出150中的視在內插深度。內插深度的改變通過以期望的整數(shù)內插因子對相位估計器125全部內插深度輸出進行簡單地定標而實現(xiàn)。例如，如果相位估計器的固有內插深度是10比特(×1024)并且該編程信號命令一個“×200”輸出，狀態(tài)發(fā)生器對每一個數(shù)字輸出相位有效地施加一200/1024因子(二進制的定標因子例如×8或者×16通過簡單地比特移位而被典型地施加)。因為短脈沖串發(fā)生器產(chǎn)生AQB信號以匹配數(shù)字字，在狀態(tài)發(fā)生器中應用的數(shù)字定標因子也被自動地施加給該AQB。
盡管數(shù)字字輸出150和AQB兩者都是由狀態(tài)發(fā)生器產(chǎn)生的，典型地，兩個相位輸出格式(DW或AQB)中僅有一個被實際地傳送給用戶，這取決于用戶的喜好。當狀態(tài)發(fā)生器135產(chǎn)生數(shù)字字類型的輸出時，僅二進制的內插定標被較佳地施加以避免分數(shù)比特。分辨率的比特數(shù)最好視邏輯可編程的且通常為8到12比特之間。在DW的實施例中，較佳的數(shù)字輸出字150是32比特字，更高階的比特由條紋計數(shù)78提供。(而且在該實施例中提供附加的8個高階比特以得到健康(health)和狀態(tài)信息來獲得40比特的輸出字)。在優(yōu)選實施例中，該字以比特串行格式被提供給用戶。
指標相位值210在DW輸出模式可以應用至少三種不同的方式被使用。第一，條紋計數(shù)器137在每當觀察到指標相位時可被設至零?？商鎿Q地，處理器可被編程以僅在通電后的第一次觀察時將條紋計數(shù)器設置零。第三，狀態(tài)發(fā)生器可被編程以在內部從各測量值中減去該指標相位值。在后者的配置中，只要經(jīng)過指標點，數(shù)字輸出字150將讀零(0)?？商鎿Q地，指標相位值210可被發(fā)送給用戶以當他看到配合時使用。
指標脈沖設置及產(chǎn)生如圖1中所示，傳感器頭50產(chǎn)生的第二個信號類型是指標窗口信號80。該信號如圖4中所示是邏輯電平矩形函數(shù)，該函數(shù)最好通過ASIC58在傳感器頭50中自己產(chǎn)生。窗口信號Zw是對于相對傳感器頭50的標尺60的大多數(shù)位置來說是處于邏輯電平低。然而，當標尺上的指標特征(沒有示出)到達傳感器頭時，傳感器頭中的與內部ASIC組合的一特征檢測器使得Zw升到邏輯電平高。如果標尺繼續(xù)移動并通過傳感器頭，該指標特征也就遠離傳感器頭并且Zw返回到邏輯電平低。如圖4中所示，指標特征和傳感器頭檢測器設計成使在典型的對準和操作條件下，標尺在Zw的上升沿81和下降沿82之間通過的距離在一個光學條紋的量級上(例如，相位改變大約360度)。
如圖1中所示，指標窗口信號80，輸出字150的相位值比特和來自用戶接口300的控制信號95全部作為輸入提供給指標邏輯模塊200。在較佳的模式中，僅條紋計數(shù)器137的最低比特在指標邏輯模塊200中使用。另外，在較佳的實施方式中，在上述的FPGA中出現(xiàn)指標邏輯的處理的一部分而其他的處理步驟由一包括的微處理器芯片來執(zhí)行。控制信號(其也可以由外部計算機通過計算機接口400提供)將何時導出并校準指標相位信號210的功能告訴該模塊。
通常，標尺60上的物理指標的指示器僅具有足夠的分辨力來識別一具體的條紋。然而，用戶要求指標位置被識別為一具體的相位值φz，其在單個的LSB中是可以重復的。精確的相位值(在0至2π之間)除了該值的可重復性外并不重要。
指標窗口80總是與一具體的光柵位置(即，一具體的條紋)相關，但是指示窗口80并不總是在任何具體相位值開始也不總是精確地為一個條紋長。因此，指標相位值一定要在一個LSB中是可重復的，不能選擇為在前的，因為在前的值(在0至2π之間)在長指標窗口的各端，可能會在指標窗外部或者會出現(xiàn)兩次。較佳地，如圖4中所示，然后指標相位值將落在指標窗口80中間的附近，以適應在邊沿81和82位置處的測量變化。由于指標窗口80和測量相位75(φi)之間沒有固定的關系，一個校準函數(shù)應被執(zhí)行以(a)確保窗口是正確的尺寸，及(b)確定用于指標相位值φz210的適當定中的值。如圖2中所示，數(shù)字相位值(210)被提供給狀態(tài)發(fā)生器135。在較佳的實施方式中，使用從全數(shù)字輸出字150的較低階比特抽取的一部分“未纏繞”數(shù)字相位150a來計算指標相位值210。典型的是，所有的相位處理器比特和兩個條紋計數(shù)器比特被使用。如圖4中所示，測量的相位75在2π至0之間不連續(xù)是易于理解的。數(shù)字輸出相位150通過跟蹤該條紋計數(shù)來消除這些不連續(xù)性。為計算指標相位的目的，僅僅是需要保持跟蹤條紋計數(shù)超過3或者4個條紋，正如圖4中所示，因為指標窗口80的存在，開啟該計算以跨過最多三個條紋。
指標邏輯模塊200使用與圖5中方法相似的方法自激地執(zhí)行校準的功能。如圖中所示，這方法通常包括步驟1、等待直到“校準”命令出現(xiàn)。<步驟501>
2、監(jiān)控指標窗口信號。
3、記錄用于上升沿81的相位φR。<步驟502>
4、記錄用于下降沿82的相位φF。<步驟503>
5、從φF減去φR來估計指標窗口的大小。<步驟504>
6、測試指標窗是否大于0.50條紋并小于1.50條紋。[如果指示窗不符合這個標準則返回步驟2]<步驟504>
7、設置指標相位210在指標窗口的中點，即，φZ＝(φF-φR)/2。<步驟505>
一旦設定φZ的值，指標邏輯200傳輸指標相位210至相位處理器101中的狀態(tài)發(fā)生器135，如圖1中所示。
當然還要注意，處理電子裝置100不同模式之間的區(qū)別僅是為了清楚的目的；在較佳的實施方式中，幾乎所有的處理電子裝置是單一的FPGA的部分或是被編程在包括的微處理器中。
計算機接口如圖1中所示，相位處理電子裝置100包括一個計算機接口模塊400。在本發(fā)明的上下文中該模塊執(zhí)行典型的本領域的技術人員可預期的輸入/輸出功能，提供允許向前和向后傳送處理電子裝置100和外界計算機之間的數(shù)據(jù)和控制流所需的路徑和信號交換。
用戶接口圖1所示的最后一個模塊是診斷用戶接口300。如圖6中所示的優(yōu)選的接口300包括四個不同顏色和/或不同尺寸的發(fā)光二極管(LEDs)312，314，316，318(在圖1中總地示作為310)，用戶操作的按鈕350全部連接到控制器邏輯380。邏輯380對相位處理器101和指標邏輯200產(chǎn)生的各種信號執(zhí)行操作以控制LEDs310并接受用戶以按壓按鈕350的形式的“指標設置”指令。
圖10中所示是用戶接口邏輯380與用戶進行通信的方法700。在步驟705通電，邏輯電路自己初始化并激勵小的綠色電源LED。接著邏輯電路相互比較兩個未處理的正交信號70。去掉他們的記號比特，這些信號提供相量的量值的估計。當|Xi|＝|yi|，容易示出|Xi|＝Mi/1414，這樣，邏輯電路380在當|Xi|＝|Yi|時使用|Xi|的值，以在步驟710選擇適當?shù)男盘柦】抵甘酒鱈ED(314，316或318)。如果信號強度Mi超出預先設定的“安全”值，綠色的健康指示器LED314就點亮。如果信號強度低于該安全值但是高于另外一個事先設定的“適當”值，則黃色的健康指示器LED316點亮。如果信號強度低于該適當?shù)闹?，則紅色的警報健康指示器LED318點亮(這表明例如不足的光被入射在傳感器頭50上)。也可以使用另外的指示器方案，如本領域的技術人員顯然可想到的。注意“原始(raw)”信號70必須被使用，因為通過校準模塊115后所有的信號由于校準的作用都將表現(xiàn)為具有適當?shù)牧恐怠?br> 如果在任何時間用戶移動在傳感器頭前方的標尺上的指標標記，在步驟715，邏輯電路將信號健康LED(314，316或318)關斷一段時間，比如說10秒鐘。這里的“閃爍”指示給用戶指標標記已經(jīng)觀測到。用戶要想設置(或者重設)指標相位校準，用戶可以通過按壓用戶接口300上的按鈕350，或者通過計算機接口400來發(fā)送等效的指令來初始化校準模式。步驟720，通過將電源LED312置為閃爍模式，用戶確認該指令。這種閃爍模式將保持直到指標校準完成時或者斷電。固有地，用戶接口300發(fā)出一個校準指令至指標模塊200。
一旦該單元閃爍，用戶通過再一次移動位于傳感器頭前指標點來完成校準。此外，當UI邏輯電路380以短時間間隔閃爍信號健康LED(314，316或者318)時，就告訴用戶已經(jīng)觀察到指標窗。如上文所描述的在步驟725至步驟740中，指標邏輯電路200自激地估計指標相位φZ。當指標相位已經(jīng)成功算出，在步驟750，UI邏輯電路將電源LED312返回至其正常的連續(xù)模式。用戶將在傳感器頭下前后移動指標標記直到電源LED312返回其正常的連續(xù)模式。
權利要求
1.一種光學編碼器的校準方法，編碼器產(chǎn)生兩個模擬的正交信號x、y，該方法包括a.產(chǎn)生模擬信號x，y的多個數(shù)字采樣xi，yi，i是從1至大于1的整數(shù)n中的整數(shù)；b.根據(jù)等式Xi＝(xi+Oxi+Pi×yi)×GxiYi＝(yi+Oyi)×Gyi生成多個校準的采樣Xi，Yi，Gxi和Gyi是定標系數(shù)，Oxi和Oyi是偏移系數(shù)，Pi是相位系數(shù)；c.根據(jù)等式Mi=Xi2+Yi2]]>φi=ATAN[YiXi]]]>產(chǎn)生多個量值Mi和相位φi采樣，Mi和φi根據(jù)等式Vi＝Miexp(jφi)來定義相量Vi的一個采樣，j是-1的復數(shù)平方根，其中Vi可由具有第一端和第二端的線段表示，第一端位于平面坐標系的原點，該坐標系定義一x軸和一y軸，原點位于x軸和y軸的交叉點，第二端在由相對x軸的等于相位φI的一角度確定的方向上離開第一端的距離等于量值Mi；d.提供用于定標系數(shù)Gx1和Gy1，偏移系數(shù)Ox1和Oy1及相位系數(shù)P1的初始值；e.調整定標系數(shù)，偏移系數(shù)，及相位系數(shù)的值以使得Gxi+1等于Gxi或者Gxi加上/減去一個增量的調整值，Gyi+1等于Gyi或者Gyi加上/減去一個增量的調整值，Oxi+1等于Oxi或者Oxi加上/減去一個增量的調整值，Oyi+1等于Oyi或者Oyi加上/減去一個增量的調整值，Pi+1等于Pi或者Pi加上/減去一個增量的調整值；這些增量的調整值被作出以使得假定的相量V′i的第二端和一圓之間的距離小于或者等于相量Vi的第二末端和該圓之間的距離，該圓具有預定的半徑并以原點中心，該假定的相量V′i由下面的等式確定X′i＝(xi+Oxi+1+Pi+1×yi)×Gxi+1Y′i＝(yi+Oyi+1)×Gyi+1Mi′=Xi′2+Yi′2]]>φ′i=ATAN[Y′iX′i]]]>V′i-M′iexp(jφ′i)。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中當Vi位于圓的一半上時，系數(shù)Gxi和Oxi被調整一次，且不再被調整直到Vk位于圓的另一半上，k大于i。
3.根據(jù)權利要求1的方法，該圓包括左半部分和右半部分，左半部分在原點的左邊，右半部分在原點的右邊，其中當Vi位于圓的左半部分時，系數(shù)Gxi和Oxi被調整一次，且不再被調整直到Vk位于圓的右半部分，k大于i。
4.根據(jù)權利要求1的方法，其中當Vi位于圓的一半上時，系數(shù)Gyi和Oyi被調整一次，且不再被調整直到Vk位于圓的另一半上，k大于i。
5.根據(jù)權利要求1的方法，該圓包括上半部分和下半部分，原點的上面為上半部分，原點的下面為下半部分，其中當Vi位于圓的上半部分時，系數(shù)Gyi和Oyi被調整一次，且不再被調整直到Vk位于圓的下半部分，k大于i。
6.根據(jù)權利要求1的方法，其中當Vi位于圓的一個四分之一圓周上時，系數(shù)Pi被調整一次，且不再被調整直到Vk位于圓的另一個不同的四分之一圓周上，k大于i。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中該圓是一單位圓。
8.根據(jù)權利要求1的方法，其中這些系數(shù)的值根據(jù)下表調整
其中增量值“1”是一個最低有效比特。
9.一種與光學編碼器一起使用的處理裝置，該裝置包括a.數(shù)字估計器，用于根據(jù)等式φi=ATAN[YiXi]]]>產(chǎn)生的相位φi的采樣，Xi和Yi是從編碼器接收到的正交信號的采樣，i是從1至整數(shù)n中的一個整數(shù)；b.條紋計數(shù)器，用于產(chǎn)生一個計數(shù)，每次當測量的模2π的相位從單位圓的第四個四分之一圓周經(jīng)過至單位圓的第一個四分之一圓周時，計數(shù)就增加1，每次當測量的模2π的相位從單位圓的第一個四分之一圓周經(jīng)過至單位圓的第四個四分之一圓周時，計數(shù)就減1，第四個四分之一圓周是從角 延伸至2π，第一個四分之一圓周是從角度0延伸至 c.狀態(tài)發(fā)生器，用于接收該計數(shù)及相位φi的采樣并作為對其響應以A平方B的格式產(chǎn)生兩個短脈沖串輸出信號，每一個短脈沖串輸出信號在任意時間點上被特征化在高值的狀態(tài)或低值的狀態(tài)，并包括插入器，用于產(chǎn)生表示該計數(shù)和相位φI的一整數(shù)；累加器，用于通過計數(shù)A平方B的短脈沖串輸出信號中的轉變而產(chǎn)生一運行和；比較器，用于產(chǎn)生表示該整數(shù)和該運行和之間的差的帶有符號的差值；短脈沖串發(fā)生器，用于產(chǎn)生A平方B短脈沖串輸出信號中的轉變直到該帶有符號的差值為零。
10.根據(jù)權利要求9的處理裝置，其中相位φi的采樣被表示為具有Dmax比特的二進制數(shù)，Dmax是一預先確定的整數(shù)，該整數(shù)被表示為具有d比特的一二進制數(shù)，d是一預先確定的整數(shù)，該整數(shù)具有D個最低有效比特和d減去D個最高有效比特，D是用戶選擇的大于零小于d并且小于Dmax的一整數(shù)，插入器可以通過設置該整數(shù)的D個最低有效比特等于相位φi的D個最高有效比特，并通過設置該整數(shù)的d減去D個最高有效比特等于該計數(shù)的d減去D個最低有效比特來生成該整數(shù)。
11.根據(jù)權利要求9的處理裝置，其中相位φi的采樣被表示為具有Dmax比特的二進制數(shù)，Dmax是一預先確定的整數(shù)，該整數(shù)被表示為具有d比特的一二進制數(shù)，d是一預先確定的整數(shù)，該整數(shù)具有D個最低有效比特和d減去D個最高有效比特，D是滿足等式D≥Dmax+log(S)/log(2)的最小整數(shù)，S是用戶選擇的比例因子，插入器產(chǎn)生一定標相位θi，該定標相位θi等于相位φI與用戶選擇比例因子S的乘積，插入器通過將該整數(shù)的D個最低有效比特設置等于定標的相位θI的D個最低有效比特，且通過將該整數(shù)的d減去D個最高有效比特設置等于該計數(shù)的d減去D個最低有效比特來生成該整數(shù)。
12.一種處理光學編碼器產(chǎn)生的信號的方法，包括a.根據(jù)等式φi=ATAN[YiXi]]]>產(chǎn)生相位φi的采樣，Xi和Yi是從該編碼器接收到的正交信號的采樣，i是從1至整數(shù)n中的一個整數(shù)；b.產(chǎn)生一個計數(shù)，每當測量的模2π的相位從單位圓的第四個四分之一圓周經(jīng)過至單位圓的第一個四分之一圓周時，計數(shù)就增加1，每當測量的模2π的相位從單位圓的第一個四分之一圓周經(jīng)過至單位圓的第四個四分之一圓周時，計數(shù)就減1，第四個四分之一圓周是從角 延伸至2π，第一個四分之一圓周是從角度0延伸至 c.通過以下步驟以A平方B的格式產(chǎn)生兩個短脈沖串輸出信號產(chǎn)生一個代表該計數(shù)和相位φI的整數(shù)；計數(shù)A平方B的短脈沖串輸出信號中的轉變來產(chǎn)生一運行和；產(chǎn)生代表該整數(shù)和該運行和之間的差的帶有符號的差值；產(chǎn)生A平方B的短脈沖串輸出信號中轉變直到該帶有符號的差值為零。
13.根據(jù)權利要求12的方法，其中相位φi的采樣被表示為具有Dmax比特的二進制數(shù)，Dmax是一預先確定的整數(shù)，該整數(shù)被表示為具有d比特的一二進制數(shù)，d是一預先確定的整數(shù)，該整數(shù)具有D個最低有效比特和d減去D個最高有效比特，D是用戶選擇的大于零小于d并且小于Dmax的一整數(shù)，通過設置該整數(shù)的D個最低有效比特等于相位φi的D個最高有效比特，并通過設置該整數(shù)的d減去D個最高有效比特等于該計數(shù)的d減去D個最低有效比特來生成該整數(shù)。
14.根據(jù)權利要求12的方法，其中相位φi的采樣被表示為具有Dmax比特的二進制數(shù)，Dmax是一預先確定的整數(shù)，該整數(shù)被表示為具有d比特的二進制數(shù)，d是一預先確定的整數(shù)，該整數(shù)具有D個最低有效比特和d減去D個最高有效比特，D是滿足等式D≥Dmax+log(S)/log(2)的最小整數(shù)，S是用戶選擇的比例因子，該方法進一步包括產(chǎn)生一定標相位θi，該定標相位θi等于相位φI與用戶選擇比例因子S的乘積，通過將該整數(shù)的D個最低有效比特設置等于定標的相位θI的D個最低有效比特，且通過將該整數(shù)的d減去D個最高有效比特設置等于該計數(shù)的d減去D個最低有效比特來生成該整數(shù)。
15.一種為光學編碼器產(chǎn)生指標信號的方法，該編碼器產(chǎn)生指示一標尺相對于傳感器頭的位置的擬正弦曲線的正交信號，該編碼器還產(chǎn)生一個窗口信號，只要標尺的指標標記與傳感器頭對準，該窗口信號就具有高值的特性，只要標尺的指標標記與傳感器頭不對準，該窗口信號就具有低值的特性，該方法包括a.當窗口信號從低值轉變?yōu)楦咧禃r，設置第一數(shù)等于相位的值；b.當窗口信號從高值轉變?yōu)榈椭禃r，設置第二數(shù)等于相位的值；c.如果第一數(shù)和第二數(shù)之間的差值大于π而小于3π，相位指標就設置為等于第一數(shù)和第二數(shù)之間的差；d.只要該窗口信號具有高值的特性且當該相位基本上等于該相位指標時，生成該指標信號。
16.根據(jù)權利要求15的方法，其中該相位指標基本上等于第一數(shù)和第二數(shù)之間的中間值。
17.根據(jù)權利要求15的方法，其中步驟(a)，(b)和(c)僅僅在接收到校準指令之后被執(zhí)行。
18.根據(jù)權利要求17的方法，包括當窗口信號為高值的特性時給用戶提供一個指示的步驟。
19.根據(jù)權利要求18的方法，其中給用戶提供一個指示的步驟還包括啟動一光源。
全文摘要
本發(fā)明公開的電子處理裝置計算并施加校準給產(chǎn)生擬正弦曲線正交信號的傳感器。該裝置包括一個或者兩個固定并可編程的電子電路。該裝置包括一個電路來計算與兩個輸入(正交)信號相應的相位和量值。該裝置還包括一個來累計輸入信號周期數(shù)的電路。該裝置還包括一個用來產(chǎn)生增益，偏移和相位校準系數(shù)的電路，其中該電路把測量得到的相量的相位空間位置和理想相量的位置相比較，理想向量的相位空間軌跡是一個預定半徑的圓并且沒有偏移。根據(jù)編程的規(guī)則，不需要用戶介入來進行系數(shù)的計算。該裝置還包括根據(jù)I(I′)III公式X.＝(x.+Ox.+P；×y .)×G x，提供增益，偏移和相位校準系數(shù)給測量的正交信號X
文檔編號G01D5/26GK1613187SQ02826684
公開日2005年5月4日 申請日期2002年10月31日 優(yōu)先權日2001年11月2日
發(fā)明者保羅·雷米拉德, 斯圖爾特·謝克特, 道格拉斯·A·克林拜爾 申請人:微電系統(tǒng)公司