高精度同步的测量值获取的制作方法

高精度同步的测量值获取的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有多个测量子单元的设计作为空间坐标测量设备的测量系统的测量值获取的有线束缚、高精度、时间同步方法，通过触发信号用信号通知触发用于触发测量值获取的时刻，并且在由触发信号确定的在测量子单元中中间存储测量值。利用测量子单元的本地定时信号以时间量化方式在测量子单元中进行测量值的每个获取。接着使用同步信号进行测量子单元的本地定时信号的相位同步，以确保以时间不确定性在测量子单元中测量值的获取的同时性，该时间不确定性不超过同步的相位抖动，并且其在任何情况下小于本地定时信号的周期持续时间的90%。
【专利说明】高精度同步的测量值获取
[0001]本发明涉及用于在根据权利要求1的前序部分的包括多个测量子单元的测量系统中获取测量值的时间同步的方法，并且涉及根据权利要求15的前序部分的包括多个测量子单元的可触发的测量系统。
[0002]相对长的时间上已经知道并且在商业上广泛分布了包括分布式子系统的测量系统，其中，应尽可能时间同步地获取测量值。它们包括特定的坐标测量系统，诸如，例如，大地测量仪、铰接臂或者坐标测量机。这些系统通常具有多个运动轴，每个运动轴配备有测量子系统以获取轴的位置。在此情况下，作为测量值的位置可以是长度位置、角度位置或者组合的空间位置的形式。可通过多种实施方式的位置值传感器来确定各个子系统的测量值，例如通过图像处理、绝对编码位移或者相对编码位移或者角度传感器、用于确定偏差的模拟探头或者其它适当的方法。此外，诸如，例如，速度、加速度、温度、气压、空气湿度、力、距离或者接触等这样的辅助变量以及这些测量值的任何任意的组合也可被测量和获取。
[0003]在此情况下，在高精度测量中重要的是在一个并且相同的精确地确定的时刻知道测量子系统的全部测量值，以获得一致的数据集合。在要测量的值在所述时刻之间可能变化的情况下，例如，由于轴的移动，在不同的子系统中不同的测量时刻会导致不一致的数据。如果这种不一致的数据被进一步处理(例如，从其确定空间坐标)，这导致有错误的或者不精确的整体测量，例如，在期望在特定的时刻确定运动物体的精确的空间坐标的情况下。
[0004]因此，为了防止这种错误，重要的是在测量期间尽可能地准确地在相同时刻获取子系统中的全部测量值或者至少精确地知道相应的测量时刻。通常通过全局触发信号在这些测量系统中实现第一选择，全局触发信号确定测量子系统中获取测量值的时刻。第二选择要求对应地精确地知道相应的测量时刻之间的可能的延迟，其中，在此情况下延迟必须优选地是确知的，也就是说，针对相应的测量是固定的或可确定的。
[0005]这可以按照多种方式来发生。经常，如从US5，657，549已知地，例如，在触发信号的电平改变的时刻，在全部子系统中，当前测量值被获取并且被缓冲存储。通过控制单元利用例如总线系统、无线电信号等，缓冲存储的测量值可接着被读出，并且相对于彼此在时间上不同步。
[0006]在控制单元中，接着在部分测量值的基础上可确定整体测量值。例如，在从US2005/0166413A1已知的测量系统中，从子系统的测量位置值可确定在与工件接触的时刻触发出触发信号的触觉探头的空间位置。
[0007]在此情况下，可以在预定时间间隔或者通过外部影响来触发触发信号，其中触发信号实际上还可以被认为是用于在测量系统中确定获取测量值的时刻的测量信号的具体形式。用于触发的这些外部影响可以包括:例如，触觉测量探针的切换、通过光栅的移动、达到子系统中的测量值的切换阈值、通过按压按钮对测量的人工触发、通过上级控制单元对测量的自动触发、时间时钟生成器等。这些触发事件可独立地发生，因而还与测量系统或者其子系统的时钟生成器不同步。
[0008]现今可用的大量的测量系统具有子系统，其通过例如微处理器等这样的数字电子装置本地地获取部分测量值。在此情况下，用于数据处理的时钟信号具有至少数百千赫的频率；时钟信号通常具有I兆赫到4吉赫的范围内的频率，通常在二位到三位MHz的范围内。这些子系统直接布置在相应的测量的位置处，得到空间分布测量系统。因此，为了使布线导致的开销最小化，在很多情况下使用尽可能少的线来进行数据传送。具体地，因为在测量系统中的这些连接经常必须经由复杂的和容易故障的滑动接触件来引导，所以随行电缆和插头连接经常也超过可观的线长度。
[0009]DE3912162描述总线系统，其中，经由一条且同一条线发送子系统的供电电压和通信数据。因而可降低测量系统中布线的开销。
[0010]EP237680描述了在每种情况下使全局触发信号与子系统的本地系统时钟同步的方法。然而，在总线上的每个分布式测量子系统利用不同的本地时钟信号进行操作来对触发信号进行采样，结果，本地时钟信号会在相位角和频率上相对于彼此偏离。
[0011]结果，在每种测量子系统中，尽管出现了同步的本地触发信号，所述信号实际上也会相对于接收到的触发信号和其它子系统的触发信号在时间上偏移，并且因而在各个测量子系统中导致不同的测量时刻。在此情况下，时间不确定性会高达本地时钟周期。
[0012]在数字信号处理系统中，外部异步信号的“同步”是用于避免由于不稳定的切换状态或者过短的信号脉冲(所谓的“毛刺”)所导致的故障的常规过程。这种用于读入外部信号的输入电路经常由所谓的“双寄存信号”实现，并且是例如FPGA或者ASIC设计这样的数字电路的设计中的基础的一部分。这防止在时钟周期期间内部信号状态的变化，例如，由于芯片内部传播时间或者内部逻辑元件的切换行为的容限，这种变化会导致不期望的效果、不确定的行为或者甚至禁止的切换状态。为了避免这些情况，针对电路而言与此关联的信号延迟也被接受，特别是由于已知它们的持续时间至少以时钟周期为单位，这使得能够对从其导致的可能的负面影响进行补偿。然而，即使总是保留在时钟周期时间范围内的不确定，因而两个时钟周期之间的信号变化的确切时刻仍然未知。
[0013]例如，还可以向相应的子系统或者测量模块分配内部时间戳，用以进行测量、将其存储并且将其与测量值一起传递。结果，由例如毛刺造成的延迟可被标识，并且必要时可以进行补偿。在同步了在全部测量模块中针对时间戳的时钟的情况下，可基于略微偏离的时间戳来标识延迟(例如通过多数决定法)，能够确定针对测量要求的最可能的时间戳。
[0014]为了说明，例如，第一本地时钟信号和第二本地时钟信号两个非同步本地时钟信号存在于一个或者多个数字系统中(casu quo作为测量子系统)，例如，以由独立的不同步的石英时钟生成器产生的两个时钟信号的形式。外部信号(casu quo作为触发信号)分别与对应的第一本地时钟信号和第二本地时钟信号同步。得到的外部信号的两个同步表示，即使在相同值的本地时钟频率的情况下，现在在时间上彼此偏离高达一个时钟周期。所得到的用于进一步处理的同步的两个内部触发信号因而相对于彼此具有高达一个时间周期的时间不确定性，尽管这是从同一外部信号产生的，并且必要时，也利用具有同一周期持续时间的时钟信号。因此，在第一测量子系统和第二测量子系统中，尽管利用同一触发信号进行明确地触发，测量的触发时刻也可能偏离。在某些情况下，具体地在被选择为对应的高的时钟速率时，所产生的错误会似乎可忽略地小；然而，在关于精度的严格要求的情况下所述误差按照不利的方式可能变得明显，并且可能构成非确定误差源。数字系统中的高的时钟速率还附加地与更高的功率损耗的缺点相关并且通常还与更复杂的电路设计相关。
[0015]因此，本发明的目的是改进测量系统，具体地是包括作为测量子系统的多个测量值采样器的测量系统。
[0016]一个具体的目的是减少子系统的时间不确定性，以尽可能同时地在全部点处进行测量或者尽量精确地知道至少相应的测量时刻。
[0017]本文的进一步的目的是实现测量值获取的该同步，并且使得布线的开销保持相同或者甚至减少。
[0018]另一个目的是实现子系统的复杂度的减少，其中，尤其是希望使用尽量少的部件，以保持结构尺寸小并且成本低。
[0019]通过实现独立权利要求的描述特征来实现这些目的。可以从专利从属权利要求得知以另选的或者有利的方式开发的本发明的特征。
[0020]根据本发明，利用以下事实来实现以上提到的主题，S卩，除了触发信号以外，还附加地发送同步信号，相应的子系统的相应的本地时钟信号相位与该同步信号同步。
[0021]因而能够在彼此之间实现测量子系统的相位同步，其中时间误差明显小于一个时钟周期。如果具有这些同步时钟信号的触发信号接着被求值，则在系统监管方式下在子系统之间获取测量值的时刻的时间偏移明显小于一个时钟周期。偏移现在是时钟信号的同步精确度的数量级，其实现明显小于时钟信号的周期持续时间的精确度，通常更准确地是十的多次幂。因此，相应的测量值相对于彼此具有时间不确定性，这不超过时钟信号的相位同步的相位抖动。
[0022]根据本发明，这是通过本文描述的用于被设计为空间坐标测量机并且包括多个具体地是空间分布的测量子单元的测量系统中，用于获取测量值的基于线的高精度时间同步的方法来实现的。在此情况下，该方法涉及借助于触发信号用信号通知对测量值获取进行触发的时刻，在由所述触发信号确定的所述时刻在所述测量子单元中分别获取测量值并且缓冲存储所述测量值，其中，在每种情况下利用所述测量子单元的本地时钟信号以时间量化的方式在所述测量子单元中获得所述测量值。
[0023]在此情况下，本发明涉及利用同步信号对所述测量子单元的本地时钟信号进行相位同步，以确保测量子单元中的测量值的获取的同时性具有不超过同步的相位抖动的时间不确定性。因而在任何情况下时间不确定性小于本地时钟信号的周期持续时间的90%，具体地小于周期持续时间的一半，优选地小于周期持续时间的五分之一，或者仍然更小。
[0024]在此情况下，物理测量值获取的时刻，也就是说，实际获取的触发时刻跨过测量子系统是同步的，因为在测量子系统中进行这些获取所使用的本地时钟是同步的。在根本不进行测量值的物理获取的时刻对随后的虚假的测量值的数值确定是没有意义的。甚至在本文的末尾描述的通过专用于这个任务的更快的二次采样时钟获得本地时钟信号的二次采样时间分辨率的实施方式中，用于测量子单元中的测量值的获取和求值的本地时钟信号根据本发明是同步的。
[0025]在此情况下，可以由测量子单元获取诸如位置、速度、加速度、接触、温度、气压、空气湿度、力、压强、电压或者电流或者其任意组合这样的物理变量。
[0026]在最简单的情况下，可以在此经由专门提供的信号线发送同步信号。
[0027]根据本发明，为了不必须提供附加的信号线用于本地时钟信号的同步，经由已经存在的线伴随地发送同步信号。具体地，例如，电源电压、触发信号线或者已经存在的某些其它信号或者时钟或者数据线，具体地，在子单元之间的或者在子单元和上级控制单元之间的数字通信信道的线适用于此目的。
[0028]在此情况下，线或者信号线不必一定被理解为表示单独的物理导线，而是例如实际上还可以涉及差分线对、光波导等。信号发送在任何情况下是基于线的并且不涉及通过无线电信号的自由空间发送。
[0029]为了实现同步信号与其它信号的同时发送，可以采用例如从通信技术已知的多种方法。具体地，在多种实施方式中的调制方法，以及线性编码方法在本文对于数据发送是重要的。
[0030]例如，能够使用诸如ASK、PSK、FSK、QAM调制这样的调制方法或者其它调制方法，这些方法适用于此目的并且是本领域技术人员熟悉的或者充分地记载在相关的技术文献中并且可在那里找到。
[0031]具体地诸如曼彻斯特码或者其它的这样的线性编码方法还可以用于经由同一条线组合地发送数据和同步信息。
[0032]此外，例如，还可以使用启动、停止的边沿、通信线的数据或地址比特，只要它们是基于适用于时钟基准的信号，或者与这种信号同步。在发送调制信号的情况下，例如，为了同步，还能够使用载波频率或者伴随地发送的导频信号。
[0033]另外，多种具体的时钟恢复方法根据通信【技术领域】也是已知的，并且同样适用于根据本发明的同步信号发送。然而，在此情况下，不同于通信技术，所提取的时钟信息不是主要用于利用其进行同样所发送的数据信号的同步解调，而是本地求值单元的相应的时钟与其同步，因此，在每个子系统中的触发信号因而被同步地求值，因此根据本发明可得到测量值获取的高同步性。在此情况下，同步解调可选地也是另外可行的。
[0034]同步信号和触发信号的联合发送还可以被设计为以这些信号的逻辑组合的形式。这种组合构成了数字调制或者编码方法的具体的简单的实现。
[0035]为了产生本地同步的时钟信号，可以使用例如PLL (锁相环)、修改的Costas环或者适用的其它已知电路。
[0036]利用时钟信号的周期的倍数发送同步信号也是适合的。由此可以例如借助于PLL，接着以同步方式产生具有原始频率的时钟信号，如果PLL具有相应的稳定的静态相位偏移，则追踪抖动和低相位噪声。与作为全局时钟信号的同步信号的相类似的可能的直接发送，这提供了这样的优点，例如，显著降低了发送频率，其蕴含了针对干扰和干扰发射的免疫力的优点，以及所产生的对所使用的电缆或者线的质量要求的降低的优点。
[0037]在本发明的一个可能的另选的实施方式中，甚至可以省略子系统中的本地时钟生成器。在此情况下，直接借助于以上描述的一种方法直接发送本地时钟信号，或者借助于PLL从同步信号产生本地时钟信号，结果，可减小子系统的成本和结构尺寸。
[0038]如果本地时钟信号相对于同步信号经历自由可选择的相位偏移，则附加地能够实现对由于线路长度和由于部件中的电路延迟引起的不可避免的信号传播时间的补偿，这使得能够进一步提高测量系统的同步精确度。有利地，在此情况下由测量系统自动地确定信号传播时间和延迟，接着在子系统中设定所得到的相位偏移。还可以人工地进行传播时间和/或必要的校正值的确定，例如，在设置或者校准处理的环境中。还能够进行基于线长度的延迟、根据数据表的部件延迟等的理论确定。还能够将发送信号的已知的或者所测量的边沿倾斜度与逻辑元件的开关阈值一起考虑。[0039]基于附图中示意性地例示的具体的示例性实施方式，以下纯粹通过示例更详细描述根据本发明的装置和根据本发明的方法，还讨论了本发明的其它的优点。在附图中具体地:
[0040]图1a示出了在基于时钟的测量值获取的情况下存在于现有技术中的测量值获取的时刻的时间偏移；
[0041]图1b示出了在非同步本地时钟信号的情况下存在于现有技术中的在两个被触发的测量子系统中的测量值获取的时刻的时间偏移的示例；
[0042]图2通过在根据本发明的多个测量子系统中的本地时钟信号的同步的时序图的基础上，在具有组合的时钟触发信号和子系统中的时钟和触发信号的同步恢复的实施方式的基础上通过示例进行示出；
[0043]图3示出了利用不同的调制方法的示例性的选择的时钟触发组合的根据本发明的实施方式的某些示例；
[0044]图4通过示例示出了根据本发明的用于角度确定的包括两个子系统的大地测量仪；
[0045]图5通过示例示出了根据本发明的包括位置和角度测量系统的铰接臂；
[0046]图6通过示例示出了龙门式设计的坐标测量机，该测量机包括根据本发明的用于位置测量的子系统；
[0047]图7通过示例示出了从现有技术已知的利用触发信号的测量系统的示意性例示；
[0048]图8通过示例示出了根据本发明的利用同步的时钟信号的测量系统的实施方式的示意性例示，其中，触发信号异步地提供到子系统并且在相应的子系统中被在时间上量化；
[0049]图9通过示例示出了根据本发明的利用同步的时钟信号的测量系统的实施方式的示意性例示，其中，触发信号在一个子系统中被在时间上量化，并且随后以已经同步的方式提供到其它的子系统；
[0050]图1Oa通过示例示出了根据图9利用二次采样内插的根据本发明的利用同步的时钟和触发信号的测量系统的实施方式的示意性例示；
[0051]图1Ob通过示例示出了与图1Oa关联的信号的时间曲线；
[0052]图1Oc通过示例示出了根据图8的利用二次采样内插的利用根据本发明的同步时钟信号和异步触发信号的测量系统的实施方式的示意性例示；
[0053]图1Od通过示例示出了与图1Oc关联的信号的时间曲线。
[0054]图1a示出了在外部信号10的数字信号处理期间的由于需要外部信号10与本地时钟信号11的同步而进行的时间量化所导致的时间不确定性。由于可以相对于测量子单元中的本地处理时钟11异步地出现外部信号，为了确保确知的数字处理，必须实现与本地时钟11的同步。在电路中进一步内部地处理所得到的同步的内部信号12在此情况下可以相对于外部信号10经历多达本地时钟信号11的周期持续时间的时间偏移16。在本文所讨论的高精度测量系统的情况下，由于时钟信号11的不确定的相位角，特别是在要获取的测量信号的带宽显著地超过本地时钟频率11的情况下，这种偏移16(特别是针对确定测量值获取时刻的触发信号10)会导致不期望的测量偏差和影响以及非确定性。
[0055]根据本发明的同步的一部分方面还在于可以在子系统中采用更慢的本地时钟信号，其结果是这些子系统具有减少的能量消耗，但是按照同步管理的方式可获得保持不变的或者甚至提高的测量同时性。
[0056]具体地，如果触发信号10用于精确地定义在多个测量子系统17、18中获取测量值的时刻，则由于在相应的测量子单元17、18中的本地时钟频率11、13在相位角和/或频率上的偏差，这会在测量子系统17、18之间导致测量值获取的实际时刻的令人烦恼的偏差15(并且还导致相对于实际触发时刻10的不同的偏差15A、15B)。由于这些偏差基于不同步的本地时钟信号11、13是非确定的，所以这些偏差也超出了数值校正并且最多也仅在统计上考虑在内。(在附图中，相应的相同信号仅被表示一次，但是提供了多个标号。)根据本发明的原理在此可扩展到任意数目的子系统17、18。
[0057]图1b例示了存在于现有技术中的这种时间偏移15，并且本地触发信号12和14可以相对于彼此并且还与触发信号10进行触发相关。本地测量时刻的这个抖动15、15A、15B是由用于对这里例示的两个子系统中的触发信号10进行采样的不同步的本地时钟信号11和13所造成的。因此，尽管相应的本地触发信号12或者14与相应的本地时钟信号11或者13同步，但是因为子系统的本地时钟信号11和13相对于彼此不具有恒定的(或者至少已知的)频率或者相位关系，所以本地触发信号12和14在最差情况下可以分别具有高达大约本地时钟信号11或者13的一个时钟周期的偏移15。因而，测量子系统以高达一个时钟周期的时间不确定性记录了测量值，而不管公共触发信号10。根据时钟频率和期望的测量精度，特别是在高精度测量系统中，这会导致明显的误差并且因此应当避免。除了对全部传感器精确地在同一时刻进行测量(15)的不确定性以外，相对于实际触发信号10存在延迟15A和15B。延迟时间15A和15B同样贡献于期望测量时刻和实际测量时刻之间的偏移并且是非确定的。
[0058]为了阐明根据本发明减少该误差，图2例示了图1所例示的主题，包括具有本地时钟信号11、13的子系统17、18，其中，本地时钟信号11、13根据本发明分别借助于同步信号19和30在测量子系统之间是同步的。与图1比较，结果，在相应子系统中获取的时刻的时间偏移37 (其对应于图1的偏移15)显著地更小或者减小到使得可以被认为实际上不存在的程度。时间偏移37现在处于同步的时钟信号11和13的相位误差(抖动)的范围内，该范围显著小于一个时钟周期。由于外部触发信号的不同步，期望测量时刻和实际测量时刻之间的延迟38仍存在，但是借助于子系统(例如上级控制单元)中的更高的时钟或者借助于模拟电路可以进行测量，并且因为现在是确知的所以可以通过数学内插或者外插与其它的延迟一起进行补偿。
[0059]作为对所发生的外部触发信号10进行发送的另选例，还可以在作为触发单元的子单元中使非同步的触发信号10同步，同样地利用同步时钟21或者同步信号19并且随后将已经同步的触发信号传递到测量子单元17、18。在此情况下，在触发单元中仅可确定延迟时间38 —次，触发单元将该延迟信息提供到测量子系统17、18或者提供到控制单元，控制单元为了进行可能的补偿进一步处理测量值。
[0060]在最简单的情况下，在本文直接提供同步信号30并因而同步信号30对应于同步信号19。在一个简单的实施方式中，同步信号39和19以及时钟信号21、11和13在此甚至是相同的信号。
[0061]图2例示了发送具有比时钟信号的频率更低的频率的同步信号的实施方式。通过使用PLL，例如，不必直接发送测量系统的高频时钟信号30或者35，而还可以使用从高频时钟信号30或者35得到的具有时钟信号30的周期的倍数的低频同步信号31，以使PLL同步。图2通过示例示出了两倍的周期。在所例示的情况下(特别是为了清楚)，各个测量子系统中的本地时钟频率是相同的，但是不是必须这样。
[0062]如果使用PLL或者等效电路来通过子系统中的同步信号30进行时钟信号11、13的同步，则相对于原始时钟信号21的时间偏移仅在PLL的或者同步信号的相位抖动的范围内。市场上现有的PLL部件的时间偏移通常在皮秒的范围内变化。为了实现与根据现有技术的实施方式所获取的测量值相同的同时性，为了比较，将必须使用数GHz到数THz的频率对触发信号进行采样。
[0063]在PLL中，可选地还可以通过PLL的可调节相位偏移来补偿由于电缆连接和部件所导致的一直存在的信号传播时间和信号延迟，因而有可能甚至进一步增加子系统17、18相对于彼此的时间同步性。
[0064]作为对PLL的替代，例如修改的Costas环这样的用于时钟信号同步的另外的电路适合于进行测试，或者某些其它的已知结构因此也是适合的。
[0065]具体地，图2示出了组合的时钟触发信号20的实施方式的示例，其中，经由同一线路发送同步信号和触发信号作为组合的时钟触发信号20。在此情况下，从时钟信号21导出更低频率的同步信号19。将所述同步信号19与触发信号10组合，例如，如这里所示地通过同步信号19与触发信号10的数字相位调制(例如，借助XOR逻辑门)，并且提供到测量子系统17、18作为组合的时钟触发信号20。在不同的考虑方式中，借助曼彻斯特编码的实施方式将触发信号10与同步信号19 一起发送，作为组合信号20。
[0066]在子系统17、18中，组合的时钟触发信号20接着再被分别分开为同步信号30以及触发信号12和14，其中，同步信号30用于本地时钟信号11和13的同步。由于这在每个子系统17、18中以相同的方式发生，所以测量子系统的时钟信号11、13和触发信号12、14因而在很大程度上彼此同步。因此，在全部子系统17、18中的测量时刻37也以高时间精确度而相同。信号20、30、11、13、12、14仅表示一次，因为除了可能的非常低的相位抖动37之夕卜，它们在子系统中是相同的。
[0067]图3通过示例示出了一些实施方式，其中，通过调制方法经由同一条线发送同步信号19和触发信号10。结果，与现有技术相比，在不需要用于此目的的附加信号线的情况下，根据本发明的附加的同步信号19的发送变得可能。
[0068]在此情况下，能够使用例如来自通信技术的多种已知的调制方法。举例来说，为此目的可以使用幅度(ASK)、相位(PSK)、频率(FSK)、正交(QAM)或者其它调制方法。由于在本申请中要发送的信号的特定的属性，这些方法中的某些方法可以非常容易地实现，例如，以逻辑门的形式实现。然而，还可以使用明显地更复杂的调制器结构，对于这些调制器结构，市场上可买到已经包含用于调制和/或解调的核心元件的相当多的集成部件。
[0069]具体地，图3示出了时钟信号21、同步信号19和触发信号10，可以根据以下方法对这些信号进行组合，将参照这些信号中的某些信号作为示例来进行说明。
[0070]信号20示出了数字PSK调制，数字PSK调制可以在数字信号的情况下实现，例如，通过逻辑XOR组合的简单形式来实现。在此情况下，取决于触发信号10的状态，同步信号19的相位角旋转180°并且将所产生的时钟触发信号20提供到子系统。[0071]信号120表示数字FSK调制的实施方式，其中，发送的信号120的频率根据触发信号10的状态而改变。所示的示例涉及根据触发信号10的状态在某一频率及其一半之间进行改变。
[0072]信号220示出了数字ASK调制的实施方式，其中，在所例示的情况下根据触发信号10关于信号平均值对称地调制同步信号19的幅度。
[0073]信号320示出了通过ASK调制发送非同步触发信号10的实施方式。除了很多其它方式以外，该方法的一种实现将是可行的，例如，通过触发启动器与同步线相连的下拉电阻器的简单的方式。
[0074]信号420示出了利用PSK调制的实施方式，其中，触发信号10不是同步地在触发单元中进行传送，而是以异步的形式传送到子单元17、18，并且在子单元17、18中的各自的情况下进行同步。
[0075]信号520示出了利用组合的PSK和ASK进行调制的实施方式，其中，同步信号19的相位和幅度都随着触发信号10而改变。
[0076]信号620示出了组合的信号620的实施方式，该实施方式通过对同步信号19施加依赖于触发信号的DC偏移来实现。
[0077]图3的列表不是穷尽列举，而仅在于给出可应用的几个示例性示例，用于实现根据本发明的同步信号与其它信号以及可能的信号波形的某些示例的共同发送。本领域技术人员熟悉可能的特定的适应及其具体的实施方式，或者可以在对应的参考书、数据表和申请文件中查找。应理解的是，除了所提到的数字调制和编码方法以外，可以按照等效方式采用模拟方法。
[0078]为了使数据信号适应于传输信道的特定的要求而开发的这种类型的一种适当的编码方法会例如必须在特定数目的时钟周期或者发送的比特之后需要电平变化。这种变化还可以用于这里描述的应用，以从按照这种方式编码的数据或者触发信号10中提取同步信号19，并且本地时钟信号11、13可以与所述同步信号同步。另外，例如，可以采用启动/停止的边沿和/或数字通信的任意通信比特用于使时钟信号11、13同步。
[0079]还可以将同步信号19调制到电源线上(电压源或者电流源)，或者为了同步使用AC电压源信号的频率或者电源电压的AC分量，具体地，这种AC信号的相位角。对于通过共用线利用其它信号作为时钟供应信号来发送同步信号的这种实施方式的其它的细节，应当参照对应的参考书。
[0080]关于所提到的发送和调制方法的其它的细节和电路示例，如果在任何情况下不熟悉，可以在相关的电子技术专业文献中找到，例如，在Mcgraw-Hill出版公司的JohnG.Proakis的“digital communications”中找到，因此,省去了其进一步的详细描述。
[0081]图4示出了同步方法在大地测量仪40中的示例性应用。在此情况下，安装了两个高精度角度传感器41和42，在附图中由它们的旋转轴和旋转方向表示。根据本发明的作为测量子单元的角度传感器的同步允许在两个轴上对角度的非常高的同时测量。另外，任意地出现的光学距离测量还可以根据相同的原理同样地进行同步，因而可以在特定的时刻在三个坐标上精确地测量空间点。在此可以例如通过仪器40的测量电子装置周期性地或者基于预定义的测量程序产生触发信号，并且还可以由操作者手动地将触发信号触发。
[0082]图5示出了铰接臂形式的测量系统50的示例性应用，该系统具有针对位置的测量子单元52和/或用于角度测量的测量子单元51，所述子单元根据本发明是同步的。在此情况下，装配在臂端部的探头55在接触主体时触发出触发信号。响应于所述触发信号，根据本发明的同步的全部子系统存储它们当前所测量的位置值。这些位置接着被控制单元54读出，例如经由串行总线系统。基于这些单独的位置和臂的几何信息，可以确定对应于探头与工件的接触点的空间位置。因此，可以以高精度逐点地测量具有任意的几何形状的主体。
[0083]即使由于当例如测量臂被操作者人工引导时以可以预料到的不稳固引导、震动和振动的形式的轴的连续运动，位置值在时间上不稳定，因为各个测量的高精度同步，所以仍然可以确定准确的空间位置。在此情况下，在全部测量子单元中测量值的获取时刻如此精确的同步，使得即使由在触发期间可能的运动所导致的时间上的位置变化不会导致由测量子系统记录的测量值的位置偏差，因为所有的值在完全相同的时刻记录，并因而本质上一致。在没有高精度同步的运动测量系统的情况下，在各个轴的所获得的测量值中的时间偏移，将导致一组不一致的位置值，所述位置值不对应于触发时刻的实际位置，而是对应于轴在不同(即使只是细微的)时刻的位置，这会组合地导致在测量臂实际上从未占据的3D位置中的空间坐标。
[0084]在此情况下，根据本发明的子系统的同步减少了由于测量系统在测量过程中的运动所导致的测量误差。
[0085]图6不出了用于利用根据本发明的同步的位置传感器66X、66Y和66Ζ测量工件62的龙门式设计的坐标测量机60形式的示例性应用。利用触觉探头63、光栅或者模拟信号超过预定的电平来触发出触发信号的原理与以上针对图5描述的原理相对应。基于由探头63所触发的触发信号，位置传感器66Χ、66Υ和66Ζ获取相应的轴位置作为测量值，该测量值接着被控制单元61读出并且进一步处理以形成空间坐标。即使在模拟“扫描探头”的情况下，探头偏斜不仅被数字式地读出而且作为模拟偏斜值，它们的偏斜值根据本发明可被同步地伴随地获取。然而，在此情况下，轴X、Y和Z被马达驱动，并且在轴的运动期间触发出触发信号。如果这个触发没有被所有的轴完全同时地标识或者至少具有最小的可能的时间不确定性，则，由于轴的运动，而不是精确地在触发时刻的位置，在每个轴获取从该轴稍微的位置偏差，或者可以仅以对应的不确定性计算在触发时刻的位置。这导致主要是非确定的空间位置的误差，因此也不无法进行数值补偿。除了轴位置以外，在该情况下根据本发明的原理还可以在时间上同步地获得测量机器的测量探头的偏斜。
[0086]图7a中例示了示出本领域已知的测量系统的示例性框图，参照该图将再次详细说明在这种系统中出现的一些问题。在此情况下，子系统71a和71b分别是用于获取测量值76a和76b的测量子单元，测量值76a和76b可作为模拟或者数字信息而得到，或者通过获取一个或者更多个物理变量由子系统自身提供。这个测量值的获取由子系统78的触发信号70所触发，子系统78也可以被指定为触发系统。在最简单的情况下，由电信号的边沿确定触发时刻，如例如对于切换测量探针的情况下。触发信号70可以独立于任何时钟、在任意时刻发生。
[0087]在子系统71a和71b中，利用相应的时钟信号74a/b在框72a/b中对触发信号进行采样，以形成与相应的时钟信号74a/b同步的触发信号77a/b，接着利用锁存单元73a/b中的触发信号(同样地利用时钟信号进行操作，或者从其导出的时钟信号75a/b)获取在此时刻的测量值并且可以缓冲存储(=锁存)。[0088]因此，在根据现有技术的系统中，时钟单元74a/b的时钟信号彼此无关并且可以在频率和相位上彼此任意地偏离，相应的本地触发的时刻也经历非确定的时间偏移，并且在不利的情况下，可以获得高达一个时钟周期的大小。
[0089]在图7b中通过示例例示了在此情况下发生的信号。在此情况下，触发信号70可以出现在任意时刻。在没有任何彼此参照的情况下由各自的本地时钟生成器74a/b在相应的子系统中产生时钟信号75a和75b。接着在每种情况下在时钟信号75a和75b的下降沿对触发信号70求值，由此定义了本地触发77a和77b的时刻，在该时刻，测量值76a和76b分别被锁存单元73a和73b获取。这造成了在此通过虚线所例示的时间偏移15。因而存在与公共触发信号无关的时间抖动15，时间抖动15可具有高达时钟信号的循环持续时间的带宽，由于时钟信号相对于彼此的频率漂移，时间抖动15在时间上也不是恒定的。
[0090]图8a中的例示图示出了与先前相同的系统，但是现在根据本发明两个本地时钟生成器74a和74b是彼此同步的。这可以例如根据以上详细描述的一种方法来完成。
[0091]图8b中的信号清楚地示出现在没有出现本地触发时刻92a和92b的时间偏移(或者更小的数量级的时间偏移)，因为全部子系统分别利用同步的时钟信号85a和85b对触发信号80进行采样，并且因而以高度的同时性在每个子系统81a和81b中获取测量值86a和86b。可以借助内插或者外插对剩余的延迟38与系统中的其它延迟一起进行进一步的补偿。延迟是可确定的并且可被测量，例如，借助于至少一个子系统中的更高的时钟，诸如，例如，用于测量求值和进一步处理的类似的时钟同步控制单元。具体地，控制单元可以作为同步的“主机(master)”工作。本地时钟84a/b的频率和相位角在任何情况下对于控制单元是已知的。
[0092]根据本发明的相应的同步信号84a、84b和92a、92b由于它们的同步性仅在附图中例示了 一次，但是由多个标号指代。
[0093]基于以上描述的方法中的一种方法，可在此情况下实现时钟生成器84a/b的时钟信号85a/b与同步信号87a/b的时间同步。
[0094]图9a例示了其它的实施方式，其中类似地同步了时钟信号84a和84b，被指定为触发系统的子系统93的时钟生成器89现在也被同步。在此实施方式中，图9b中例示了此实施方式的信号，利用时钟信号89将在被指定为时钟触发调制器的单元90中的触发启动器88的非同步触发信号91在时间上量化以形成同步的触发信号。时钟触发调制器90接着将同步的触发信号和同步信号作为组合的时钟触发信号80提供到其它子系统81a/b。
[0095]在子系统81a/b中，时钟触发信号80在被指定为时钟触发解调器的功能块82a/b中被划分为本地同步信号87a/b和本地触发信号92a/b。本地同步信号87a/b接着用于本地时钟单元84a/b或者由本地时钟单元84a/b所产生的本地时钟信号85a/b的同步。这因而确保了时钟单元89、84a和84b在每种情况下是同步的，避免了可能存在相对于彼此的非常小的相位抖动。
[0096]已经与时钟信号84a、84b和89同步的本地触发信号92a/b在触发在相应的锁存单元83a/b中所获取的测量值时因而仅具有相对于其它测量子系统的非常小的时间抖动。
[0097]在另一个实施方式中，还能够进行多种形式的二次采样内插，其中，基于具有比获取的本地时钟信号更高的时钟频率的触发信号的高分辨率时间量化，能够确定在获取两个测量值之间的触发的高分辨率时刻。因此，基于内插法可以确定在高分辨率时刻在实际获取的测量值之间的内插的测量值。
[0098]图1Oa示出了这种内插。在此情况下，除了时钟和触发信号以外，触发单元93利用时间生成器95提供甚至更高的分辨率的二次采样时间信息项目，基于此可进行测量值的内插。在此情况下，被指定为二次采样定时器的单元94以高分辨率时间单位确定在非同步触发信号91和时钟触发信号80的同步触发信息之间的时间差。这可以例如借助高频计数器或者以模拟方式(例如通过电压斜坡(voltage ramp))来进行。在此情况下,仅仅这个二次采样定时器必须作为高频计数器进行操作，并且根据本发明的其余的电路可以利用跨过多个测量子单元同步的更低的时钟信号进行操作。因此，测量子单元中的热量的释放和能量消耗可以保持低，并且仍然可以实现高测量精度。因而所确定的二次采样时间信息可以接着用于如以下将描述的所记录的测量值的内插或者外插。
[0099]图1Ob示出了这种内插的时序图。在此情况下，在触发信号91以及与时钟信号89的边沿同步的触发信号之间的持续时间被表示为脉冲94的宽度。该宽度由高频时钟生成器95的更快的时钟信号来确定，在此情况下例如在时钟生成器95的四个边沿，其具有比同步的本地信号更高的时钟频率。同步的触发信号提供到本示例中的子系统作为具有相位调制的时钟触发信号80。
[0100]利用同步的时钟信号89的上升沿对真实的测量信号86a采样，以形成如黑点所例示的测量值。如虚线所例示的，测量值被例如线性地内插。结果，并且与二次采样时间信息94 一起，实际记录的测量值102可提高到线性内插的值101，该值明显地更靠近信号的实际值100。具体地，如果测量信号的带宽小于采样率的一半，则借助内插可以非常精确地确定在触发时刻的测量值。如果已知，则根据对测量值和/或其时间偏差的物理模型进行表示的函数的内插可以引起精度进一步增加。为了内插或者外插，除了简单的线性函数，还能够使用面向测量系统的物理模型的更高阶函数或者对应的差分函数。
[0101]作为对通过触发单元93提供二次采样时间信息的替代例，在测量单元81中还可以直接确定内插的测量值并且由后者提供内插的测量值，如图1Oc所例示。在此情况下，同步的时钟生成器84 (或者具体针对其设置的时钟生成器)产生具有比同步的时钟信号的频率更高的频率的二次采样时钟89，借助于二次采样单元94来确定时钟信号85与非同步触发信号92的时钟边沿(获取测量值)之间的时间差。如以上基于线性内插已经通过上述示例所例示地，数据处理单元(在此未例示)可以由此执行信号内插。在此情况下，相对于针对本地时钟信号的同步信号非同步地提供触发信号。
[0102]图1Od例示了信号的对应的时间曲线。
[0103]应理解的是，以上说明可以延伸到任意数目的子系统。
[0104]另外，在此情况下，诸如触发、测量值获取、内插、测量值求值、通过电子控制器系统控制以及其组合这样的不同的任务可以分配到子系统。
【权利要求】
1.一种用于空间坐标测量机(40、50、60)的测量值获取的基于线的高精度时间同步的方法，所述空间坐标测量机包括多个具体地是空间分布的测量子单元，所述方法包括: 借助于触发信号(10)用信号通知对测量值获取进行触发的时刻，并且 在由所述触发信号(10)确定的所述时刻在所述测量子单元中分别获取测量值并且缓冲存储所述测量值，其中，在每种情况下利用所述测量子单元的本地时钟信号(11、13)以时间量化的方式在所述测量子单元中获得所述测量值， 其特征在于， 利用同步信号(19)对所述测量子单元的本地时钟信号(11、13)进行相位同步， 以确保测量子单元中的测量值的获取的同时性具有这样的时间不确定性，即，所述时间不确定性在任何情况下小于所述本地时钟信号的周期持续时间的90%，具体地，小于所述周期持续时间的一半，优选地小于所述周期持续时间的五分之一。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 利用测量探头(55、63)实现所述用信号通知，并且 利用位置值传感器(41、42、51、52、66X、66Y、66Z )实现获取。
3.根据权利要求 1或者2所述的方法， 其特征在于， 经由公共信号线提供所述同步信号和其它信号作为公共信号(20、120、220、320、420、520、620)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于， 提供公共信号(20、120、220、320、420、520、620)的步骤利用调制方法以这样的方式发生，即，可以从所述公共信号重构对应的分量，具体地，其中以FSK、PSK、ASK或者QAM执行所述调制方法。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于， 所述调制方法作为数字调制方法来执行，具体地以所述同步信号和其它信号的逻辑组合的形式执行所述调制方法。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于， 提供公共信号(20、120、220、320、420、520、620)的步骤利用线性编码来发生，其中，利用线性编码使得本地时钟信号能够被同步，优选地以曼彻斯特码形式的线性编码使得本地时钟信号能够被同步。
7.根据权利要求3到6中任一项所述的方法，其特征在于， 提供作为其他信号的所述同步信号(19)和所述触发信号(10)的步骤利用组合的时钟触发信号来发生，其中，经由所述公共信号线发送所述组合的时钟触发信号。
8.根据权利要求3到6中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括利用电源电压承载线经由作为其它信号的电源信号来提供所述同步信号(19)作为组合的时钟电源信号的步骤。
9.根据权利要求3到6中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括经由公共信号线提供所述同步信号(19)和作为其它信号的数据信号作为组合的时钟数据信号的步骤。
10.根据权利要求3到9中任一项所述的方法，其特征在于， 该方法包括向所述测量子单元提供所述触发信号(10)作为同步的触发信号，其中，所述触发信号在作为触发单元的子单元中利用同步的时钟信号在时间上被量化，并且作为同步的触发信号被提供到所述测量子单元。
11.根据权利要求3到9中任一项所述的方法，其特征在于， 该方法涉及向所述测量子单元提供所述触发信号(10)作为非同步触发信号，所述非同步触发信号在所述测量子单元中在每种情况下利用同步的本地时钟信号在时间上被量化。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的方法，其特征在于， 使用优选地是PLL或者修改的Costas环的反馈控制环,从同步信号发生相应的本地时钟信号(11、13)的同步，具体地，其中，所述同步信号具有从所述同步信号产生的所述本地时钟信号的周期时间的倍数。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的方法，其特征在于， 所述本地时钟信号具有相对于所述同步信号的恒定的自由可选择的相位偏差，作为用于对由于线长度和电路延迟引起的信号传播时间进行补偿的延迟时间补偿，具体地，其中，基于能够被测量系统自动地确定的测量子系统之间的信号传播时间和延迟，由所述测量系统自动地配置所述自由可选择的相位偏移。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的方法，其特征在于， 子单元利用所述子单元的同步的本地时钟信号来获取所述测量值并且存储所述测量值的时间有限的历史， 通过对限定了触发时刻并且相对于同步的时钟信号非同步的触发信号进行分配，用信号通知进行触发的时刻，并且 在非同步的触发时刻通过计算同步获取的所述测量值的内插或者外插来确定所述测量值， 具体地，其中，针对所述内插或者外插的所述子单元中的至少一个子单元以比所述本地时钟信号的周期持续时间更低的时间分辨率来进行时间确定。
15.一种具体地包括多个空间分布的测量子单元的可触发的坐标测量系统，所述测量子单元包括: 测量值输入，用于获取物理变量作为测量值， 基于线的触发信号输入，用于在由触发信号确定的时刻触发测量值获取， 本地时钟信号，用于对所述测量值获取进行时间量化的测量子系统内部信号处理， 其特征在于， 同步单元，用于基于同步信号在测量系统的测量子单元中对本地时钟信号进行相位同步，具体地，其中，同步信号与其它信号一起经由公共信号线发送，优选地其中所述同步信号与所述触发信号一起作为在测量系统中的组合的时钟触发信号进行发送。
【文档编号】G01D21/02GK103608647SQ201280028531
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年6月6日 优先权日:2011年6月10日
【发明者】R·菲尔施 申请人:赫克斯冈技术中心