一種絕對光柵信號處理方法
【專利摘要】一種絕對光柵信號處理方法，所述信號處理方法包括以下步驟：首先，在由信號處理板卡提供的時鐘信號CLK0I+、CLK0I-的激勵下，絕對光柵的數(shù)據(jù)信號DATA0I+、DATA0I-共模濾波后經(jīng)差分收發(fā)模塊I傳輸給可編程邏輯器件，可編程邏輯器件對輸入信號處理后輸出兩路與輸入信號相同的信號，一路信號經(jīng)差分收發(fā)模塊II并共模濾波后傳輸給驅(qū)動器，令一路信號經(jīng)差分收發(fā)模塊III并共模濾波后傳輸給上位機。本發(fā)明將絕對光柵信號一分為二，實現(xiàn)了驅(qū)動器和上位機同時需要位置反饋時反饋給上位機的位置信號是絕對信號，使得上位機控制系統(tǒng)有效地發(fā)揮了絕對光柵相比于增量光柵在位置控制中的優(yōu)勢。
【專利說明】一種絕對光柵信號處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種絕對光柵信號處理方法，主要應(yīng)用于機電控制系統(tǒng)，屬于信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]微納米測量技術(shù)在微機電系統(tǒng)(MEMS)裝配與集成、集成電路(IC)制造與封裝、超精密加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并朝著高速、高精度方向發(fā)展。光柵尺具有精度高、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點，成為微納米位置測量的主要工具。絕對光柵的測量原理是在標(biāo)尺光柵上刻劃一條帶有絕對位置編碼的碼道，讀數(shù)頭通過讀取當(dāng)前位置的編碼可以得到絕對位置。絕對式光柵尺相比于增量光柵的最大優(yōu)勢是開電后直接得到當(dāng)前位置信息，無需“歸零”操作，簡化控制系統(tǒng)設(shè)計。
[0003]以絕對光柵作為位置測量器件的實際控制系統(tǒng)中，若驅(qū)動器和上位機同時需要位置反饋，目前采用的方式是絕對光柵將運動臺的絕對位置反饋給驅(qū)動器，而由驅(qū)動器將運動臺的增量位移反饋給上位機。由于上位機得到的位移反饋為增量值，運動控制算法較為麻煩，因此在上位機控制系統(tǒng)中，絕對光柵相比于增量光柵在位置控制中的優(yōu)勢并沒有得到有效地利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]以絕對光柵作為位置測量器件的實際控制系統(tǒng)中，當(dāng)驅(qū)動器和上位機同時需要位置反饋時，為了實現(xiàn)上位機得到的位移反饋為絕對值，有效地發(fā)揮了絕對光柵相比于增量光柵在位置控制中的優(yōu)勢，本發(fā)明設(shè)計了一種絕對光柵信號處理方式，將絕對光柵信號一分為二，同時反饋給驅(qū)動器和上位機。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]所述絕對光柵信號包括DATAOI+、DATAO1-, CLKOI+, CLKO1-,其中，DATAOI+,DATAO1-為數(shù)據(jù)信號，CLKOI+, CLKO1-為時鐘信號，其特征在于:絕對光柵信號采用如下信號處理板卡進行處理:該信號處理板卡包括可編程邏輯器件、差分收發(fā)模塊和共模濾波模塊；
[0007]所述可編程邏輯器件分為頂層模塊及時鐘發(fā)生子模塊、數(shù)據(jù)接收子模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊1、數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II和使能子模塊；其中，頂層模塊用于設(shè)置數(shù)據(jù)接收模塊的配置信息和實例化各子模塊；時鐘發(fā)生子模塊用于將可編程邏輯器件的系統(tǒng)時鐘分頻以產(chǎn)生所需的同步時鐘；使能子模塊用于使能數(shù)據(jù)接收子模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊1、數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II ;數(shù)據(jù)接收子模塊用于接收絕對光柵的數(shù)據(jù)信號，將絕對光柵串行的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)信號，并通過分時復(fù)用將一路并行的數(shù)據(jù)信號分成完全相同的兩路并行的數(shù)據(jù)信號，分別輸出給數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊I和數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II ;數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊I和數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II用于將接收的并行的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為串行的數(shù)據(jù)信號，附加時鐘信號發(fā)送出去;[0008]所述差分收發(fā)模塊用于實現(xiàn)可編程邏輯器件與絕對光柵、驅(qū)動器或上位機的信號傳輸；所述共模濾波模塊用于實現(xiàn)信號的共模濾波；
[0009]所述信號處理方法包括以下步驟:
[0010]I)可編程邏輯器件提供的同步時鐘信號CLK0_0經(jīng)差分收發(fā)模塊I轉(zhuǎn)變成時鐘信號CLK0+、CLK0-，再經(jīng)共模濾波模塊I共模濾波后轉(zhuǎn)變成時鐘信號CLK0I+、CLK0I_傳輸給絕對光柵；絕對光柵在時鐘信號CLKOI+、CLKO1-激勵下將數(shù)據(jù)信號DATAOI+、DATAO1-通過絕對光柵接口傳輸?shù)叫盘柼幚戆蹇?，?jīng)共模濾波模塊I共模濾波后轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)信號DATA0+、DATA0-,再經(jīng)差分收發(fā)模塊I轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)信號DATA0_1、DATA0_0傳輸給可編程邏輯器件；
[0011]2)所述可編程邏輯器件采用硬件編程語言，對數(shù)據(jù)信號DATA0_1、DATA0_0處理后，輸出完全相同的兩路絕對光柵信號，即第一輸出信號DATA1_1、DATA1_0、CLK1_0和第二輸出信號DATA2_1、DATA2_0、CLK2_0 ;第一輸出信號的數(shù)據(jù)信號DATA1_1、DATA1_0或第二輸出信號的數(shù)據(jù)信號DATA2_1、DATA2_0與數(shù)據(jù)信號DATA0_1、DATA0_0也相同；
[0012]3)第一輸出信號DATA1_1、DATA1_0、CLK1_0經(jīng)差分收發(fā)模塊II轉(zhuǎn)變成信號DATAl+, DATA1-、CLKl+, CLK1-，再經(jīng)共模濾波模塊II共模濾波后轉(zhuǎn)變成信號DATA10+、DATA I O-, CLKlO+, CLK10-，通過驅(qū)動器接口傳輸給驅(qū)動器；第二輸出信號DATA2_1、DATA2_
O、CLK2_0經(jīng)差分收發(fā)模塊III轉(zhuǎn)變成DATA2+、DATA2-、CLK2+、CLK2-，再經(jīng)共模濾波模塊III共模濾波后轉(zhuǎn)變成信號DATA20+、DATA20-、CLK20+、CLK20-，通過第二通道接口傳輸給上位機。
[0013]所述的可編程邏輯器件的輸入還包括撥碼開關(guān)，用于預(yù)設(shè)絕對光柵信號的字長；所述的可編程邏輯器件的輸出還包括指示信號，指示信號由LED燈組成，用于確認(rèn)實際絕對光柵字長是否與預(yù)設(shè)值一致。
[0014]本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性的技術(shù)成果:本發(fā)明將一路絕對光柵信號分為完全相同的兩路，一路作為驅(qū)動器的位置反饋，另一路作為上位機的位置反饋；所提出的絕對信號處理方法簡單、可靠；在絕對光柵作為位置測量器件的實際控制系統(tǒng)中，若驅(qū)動器和上位機同時需要位置反饋，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機得到的位移反饋為絕對值，使得上位機控制系統(tǒng)有效地發(fā)揮了絕對光柵相比于增量光柵在位置控制中的優(yōu)勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明可編程邏輯器件框圖。
[0016]圖2為本發(fā)明絕對光柵信號處理方法原理示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明絕對光柵接口的電路圖。
[0018]圖4為本發(fā)明差分收發(fā)模塊I的電路圖。
[0019]圖5為本發(fā)明共模濾波模塊I的電路圖。
[0020]圖6為本發(fā)明驅(qū)動器接口電路的電路圖。
[0021]圖7為本發(fā)明第二通道接口電路的電路圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和工作過程來進一步說明本發(fā)明。
[0023]圖1為本發(fā)明可編程邏輯器件框圖。可編程邏輯器件分為頂層模塊及時鐘發(fā)生子模塊、數(shù)據(jù)接收子模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊1、數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II和使能子模塊；其中，頂層模塊用于設(shè)置數(shù)據(jù)接收模塊的配置信息和實例化各子模塊；時鐘發(fā)生子模塊用于將可編程邏輯器件的系統(tǒng)時鐘分頻以產(chǎn)生所需的同步時鐘；使能子模塊用于使能數(shù)據(jù)接收子模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊1、數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II;數(shù)據(jù)接收子模塊用于接收絕對光柵的數(shù)據(jù)信號，將絕對光柵串行的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)信號，并通過分時復(fù)用將一路并行的數(shù)據(jù)信號分成完全相同的兩路并行的數(shù)據(jù)信號，分別輸出給數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊I和數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II;數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊I和數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II用于將接收的并行的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為串行的數(shù)據(jù)信號，附加時鐘信號發(fā)送出去；
[0024]圖2為本發(fā)明絕對光柵信號處理方法原理示意圖。所述絕對光柵信號包括DATAOI+、DATAO1-、CLKOI+、CLKOI _，其中，DATAOI+、DATAOI _ 為數(shù)據(jù)信號，CLKOI+、CLKO1-為時鐘信號，其特征在于:絕對光柵信號采用如下信號處理板卡進行處理:該信號處理板卡包括可編程邏輯器件、差分收發(fā)模塊和共模濾波模塊。所述差分收發(fā)模塊用于實現(xiàn)可編程邏輯器件與絕對光柵、驅(qū)動器或上位機的信號傳輸。所述共模濾波模塊用于實現(xiàn)信號的共模濾波。信號處理板卡的電源可由外接電源提供，也可通過驅(qū)動器接口由驅(qū)動器提供或者通過第二通道接口由上位機提供，但三者只能選則其一，切勿同時供電。
[0025]所述信號處理方法包括以下步驟:
[0026]I)可編程邏輯器件提供的同步時鐘信號CLK0_0經(jīng)差分收發(fā)模塊I轉(zhuǎn)變成時鐘信號CLK0+、CLK0-，再經(jīng)共模濾波模塊I共模濾波后轉(zhuǎn)變成時鐘信號CLK0I+、CLK0I_傳輸給絕對光柵；絕對光柵在時鐘信號CLKOI+、CLKO1-激勵下將數(shù)據(jù)信號DATAOI+、DATAO1-通過絕對光柵接口傳輸?shù)叫盘柼幚戆蹇?，?jīng)共模濾波模塊I共模濾波后轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)信號DATA0+、DATA0-，再經(jīng)差分收發(fā)模塊I轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)信號DATA0_1、DATA0_0傳輸給可編程邏輯器件；
[0027]2)所述可編程邏輯器件采用硬件編程語言，對數(shù)據(jù)信號DATA0_1、DATA0_0處理后，輸出完全相同的兩路絕對光柵信號，即第一輸出信號DATA1_1、DATA1_0、CLK1_0和第二輸出信號DATA2_1、DATA2_0、CLK2_0 ;第一輸出信號的數(shù)據(jù)信號DATA1_1、DATA1_0或第二輸出信號的數(shù)據(jù)信號DATA2_1、DATA2_0與數(shù)據(jù)信號DATA0_1、DATA0_0也相同；
[0028]3)第一輸出信號DATA1_1、DATA1_0、CLK1_0經(jīng)差分收發(fā)模塊II轉(zhuǎn)變成信號DATAl+, DATA1-、CLKl+, CLK1-，再經(jīng)共模濾波模塊II共模濾波后轉(zhuǎn)變成信號DATA10+、DATA I O-, CLKlO+, CLK10-，通過驅(qū)動器接口傳輸給驅(qū)動器；第二輸出信號DATA2_1、DATA2_
O、CLK2_0經(jīng)差分收發(fā)模塊III轉(zhuǎn)變成DATA2+、DATA2-、CLK2+、CLK2-，再經(jīng)共模濾波模塊III共模濾波后轉(zhuǎn)變成信號DATA20+、DATA20-、CLK20+、CLK20-，通過第二通道接口傳輸給上位機。
[0029]所述的可編程邏輯器件的輸入還包括撥碼開關(guān)，用于預(yù)設(shè)絕對光柵信號的字長；所述的可編程邏輯器件的輸出還包括指示信號，指示信號由LED燈組成，用于確認(rèn)實際絕對光柵字長是否與預(yù)設(shè)值一致。
[0030]圖3為本發(fā)明絕對光柵接口電路的實施例，絕對光柵接口為DB9接口。絕對光柵的電源可由外接電源提供或者通過絕對光柵接口由信號處理板卡提供。本實施例中絕對光柵的電源是由信號處理板卡的電源經(jīng)濾波后通過管腳3、8、4、9提供的，電源的濾波元件包括電容C33、共模電感L5 (ACM3225-601-2P)、電解電容C13和電解電容C36。時鐘信號CLK0I+、CLKO1-分別通過管腳7、2傳輸給絕對光柵，在該時鐘信號的激勵下，絕對光柵的數(shù)據(jù)信號DATAOI+、DATAO1-分別通過管腳6、I傳輸?shù)叫盘柼幚戆蹇ā?br> [0031]圖4為本發(fā)明差分收發(fā)模塊I的實施例，由2個RS485專用差分收發(fā)器SN65HVD10組成。圖5為本發(fā)明共模濾波模塊I的實施例，由2個共模電感ACM3225-601-2P和I個電阻組成?？删庉嬤壿嬈骷臅r鐘發(fā)生子模塊產(chǎn)生的同步時鐘信號CLK0_0經(jīng)差分收發(fā)模塊I轉(zhuǎn)變成時鐘信號CLK0+、CLK0-，時鐘信號CLK0+、CLK0-共模濾波后轉(zhuǎn)變成時鐘信號CLK0I+、CLK01-，通過絕對光柵接口傳輸給絕對光柵。絕對光柵在時鐘信號CLKOI+、CLKO1-的激勵下輸出的數(shù)據(jù)信號DATAOI+、DATAO1-共模濾波后轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)信號DATAO+、DATA0-，數(shù)據(jù)信號DATA0_、DATA0+經(jīng)差分收發(fā)模塊I轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)信號DATA0_0、DATA0_I后傳輸給可編輯邏輯器件。其中時鐘信號CLK0+、CLK0-分別接在共模電感L2的兩端，濾波后直接輸出時鐘信號CLK0I+、CLK01-。數(shù)據(jù)信號DATAOI+、DATAO1-分別接在共模電感LI的兩端，濾波后經(jīng)電阻R8輸出數(shù)據(jù)信號DATA0+、DATA0_。差分收發(fā)模塊I1、差分收發(fā)模塊III的原理與差分收發(fā)模塊I相同，共模濾波模塊I1、共模濾波模塊III的原理與共模濾波模塊I也相同，不再詳述。
[0032]圖6為本發(fā)明驅(qū)動器接口電路的實施例，驅(qū)動器接口為DB9接口。信號DATA1_0+、DATA1_0-、CLK1_0+、CLK 1_0-分別通過管腳1、6、2、7傳輸?shù)津?qū)動器。驅(qū)動器提供的電源經(jīng)濾波后可通過管腳3、8、4、9為信號處理板卡供電，電源的濾波兀件包括電容C4、C6,共模電感L3，磁珠B7、B9，電解電容C5等。
[0033]圖7為本發(fā)明第二通道接口電路的實施例，第二通道接口為DB9接口。信號DATA2_O+、DATA2_0-、CLK2_0+、CLK2_0-分別通過管腳1、6、2、7傳輸?shù)缴衔粰C，上位機提供的電源經(jīng)濾波后可通過管腳3、8、4、9為信號處理板卡供電，電源的濾波元件包括容C25、C27，共模電感L4，磁珠B12、B13,電解電容C26等。
[0034]信號處理板卡的電源可由外接電源提供，也可通過驅(qū)動器接口由驅(qū)動器提供或者通過第二通道接口由上位機提供，但三者只能選則其一，切勿同時供電。當(dāng)保險絲Fl(圖6)焊接、保險絲F2 (圖7)未焊接時，由驅(qū)動器為信號處理板卡供電；當(dāng)保險絲F2焊接、保險絲Fl未焊接時，由上位機為信號處理板卡供電；當(dāng)保險絲F1、F2均未焊接時，由外接電源為信號處理板卡供電。
【權(quán)利要求】
1.一種絕對光柵信號處理方法，所述絕對光柵信號包括DATAOI+、DATAO1-, CLKOI+和CLK01-，其中，DATAOI+和DATAO1-為數(shù)據(jù)信號，CLKOI+和CLKO1-為時鐘信號，其特征在于:所述絕對光柵信號采用如下信號處理板卡進行處理:該信號處理板卡包括可編程邏輯器件、差分收發(fā)模塊和共模濾波模塊； 所述可編程邏輯器件分為頂層模塊及時鐘發(fā)生子模塊、數(shù)據(jù)接收子模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊1、數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II和使能子模塊；其中，頂層模塊用于設(shè)置數(shù)據(jù)接收模塊的配置信息和實例化各子模塊；時鐘發(fā)生子模塊用于將可編程邏輯器件的系統(tǒng)時鐘分頻以產(chǎn)生所需的同步時鐘；使能子模塊用于使能數(shù)據(jù)接收子模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊1、數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II ;數(shù)據(jù)接收子模塊用于接收絕對光柵的數(shù)據(jù)信號，將絕對光柵串行的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)信號，并通過分時復(fù)用將一路并行的數(shù)據(jù)信號分成完全相同的兩路并行的數(shù)據(jù)信號，分別輸出給數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊I和數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II ;數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊I和數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊II用于將接收的并行的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為串行的數(shù)據(jù)信號，附加時鐘信號發(fā)送出去； 所述差分收發(fā)模塊用于實現(xiàn)可編程邏輯器件與絕對光柵、驅(qū)動器或上位機的信號傳輸；所述共模濾波模塊用于實現(xiàn)信號的共模濾波； 所述信號處理方法包括以下步驟: 1)可編程邏輯器件提供的同步時鐘信號CLK0_0經(jīng)差分收發(fā)模塊I轉(zhuǎn)變成時鐘信號CLKO+, CLK0-，再經(jīng)共模濾波模塊I共模濾波后轉(zhuǎn)變成時鐘信號CLKOI+、CLKO1-傳輸給絕對光柵；絕對光柵在時鐘信號CLKOI+、CLKO1-激勵下將數(shù)據(jù)信號DATAOI+、DATAO1-通過絕對光柵接口傳輸?shù)叫盘柼幚戆蹇ǎ?jīng)共模濾波模塊I共模濾波后轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)信號DATA0+、DATA0-,再經(jīng)差分收發(fā)模塊I轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)信號DATA0_1、DATA0_0傳輸給可編程邏輯器件； 2)所述可編程邏輯器件采用硬件編程語言，對數(shù)據(jù)信號DATA0_1、DATA0_0處理后，輸出完全相同的兩路絕對光柵信號，即第一輸出信號DATA1_1、DATA1_0、CLK 1_0和第二輸出信號DATA2_1、DATA2_0、CLK2_0 ;第一輸出信號的數(shù)據(jù)信號DATA1_1、DATA1_0或第二輸出信號的數(shù)據(jù)信號DATA2_1、DATA2_0與數(shù)據(jù)信號DATA0_1、DATA0_0也相同； 3)第一輸出信號DATA1_1、DATA1_0、CLK1_0經(jīng)差分收發(fā)模塊II轉(zhuǎn)變成信號DATA1+、DATA1-、CLKl+, CLK1-，再經(jīng)共模濾波模塊II共模濾波后轉(zhuǎn)變成信號DATA10+、DATA I O-,CLKlO+, CLK10-，通過驅(qū)動器接口傳輸給驅(qū)動器；第二輸出信號DATA2_1、DATA2_0、CLK2_0經(jīng)差分收發(fā)模塊III轉(zhuǎn)變成DATA2+、DATA2-、CLK2+、CLK2-，再經(jīng)共模濾波模塊III共模濾波后轉(zhuǎn)變成信號DATA20+、DATA20-、CLK20+、CLK20-，通過第二通道接口傳輸給上位機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕對光柵信號處理方法，其特征在于，所述的可編程邏輯器件的輸入還包括撥碼開關(guān)，用于預(yù)設(shè)絕對光柵信號的字長；所述的可編程邏輯器件的輸出還包括指示信號，指示信號由LED燈組成，用于確認(rèn)實際絕對光柵字長是否與預(yù)設(shè)值一致。
【文檔編號】H03K19/0175GK103560780SQ201310556667
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】朱煜, 成榮, 李敏, 楊開明, 劉召, 穆海華 申請人:清華大學(xué), 北京華卓精科科技有限公司