一种钢圈编码器的四读数头数字信号解码器的制作方法

本发明涉及高精度编码器信号处理技术领域，具体涉及一种钢圈编码器的四读数头数字信号解码器。

背景技术：

随着精密机械的发展，对机械系统的位置定位精度要求越来越高，位置定位的精度除了与控制算法密切相关外，还取决于位置传感器的反馈精度。例如在大口径望远镜控制系统(该控制系统包括伺服控制器、液晶显示屏、钢圈编码器(增量式编码器、绝对式编码器等组件))中，为了提高对空间目标的跟踪精度，位置传感器通常采用大直径的钢圈编码器，钢圈编码器机械安装过程中的偏心会引起较大的读数误差。

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器将角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照工作原理分类，编码器分为增量式和绝对式。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再将这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

目前，针对编码器的信号进行处理的解码器大多是与伺服控制器集成于一体的，电路的结构灵活性差、解码程序的可移植性不强；并且现有解码器都是针对单一读数头，且无法兼容多种编码器协议，这种单一读数头解码器无法有效消除机械安装带来的测角误差，也就无法解决大直径钢圈编码器的高精度测角问题。

技术实现要素：

为了解决现有解码器存在的结构灵活性差、程序移植性弱、无法兼容多种协议、无法消除测角误差的问题，本发明提供一种钢圈编码器的四读数头数字信号解码器，以满足大口径望远镜钢圈编码器的高精度位置检测需要。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种钢圈编码器的四读数头数字信号解码器，包括：

通过uart串口和rs422接口与伺服控制器相连的微型处理器单元，所述微型处理器单元接收伺服控制器的编码器协议参数；

通过i²c总线和参数存储接口与微型处理器单元相连的eeprom，所述微型处理器单元将编码器协议参数固化在eeprom内部；

通过地址总线和数据总线与微型处理器单元相连的逻辑处理器单元，所述微型处理器单元从eeprom中读取编码器协议参数并写入逻辑处理器单元；

4个增量式编码器读数头接口，用于将增量式编码器读数头的差分信号转换为ttl信号，所述逻辑处理器单元通过增量式编码器读数头接口与增量式编码器读数头相连；

4个绝对式编码器读数头接口，用于将绝对式编码器读数头的差分信号转换为ttl信号，所述逻辑处理器单元通过绝对式编码器读数头接口与绝对式编码器读数头相连；

所述逻辑处理器单元根据编码器协议参数选择与之对应的编码器读数头接口和解码方式，同时采集与之对应的编码器读数头的编码器数据并对其进行解码处理，所述微型处理器单元读取解码后的编码器数据并对其进行均值处理，获得合成编码器数据；

所述微型处理器单元通过uart串口和rs232接口与液晶显示屏相连，所述微型处理器单元将合成编码器数据发送给伺服控制器，同时将编码器数据和合成编码器数据发送给液晶显示屏进行实时显示。

进一步的，所述逻辑处理器单元内部包括编码器协议模块和编码器解码模块；所述编码器协议模块中兼容多种编码器协议，包括bissc协议模块、endat2.2协议模块、ssi协议模块、增量式编码器倍频和计数模块，每种协议模块的数量均为4个；所述编码器解码模块对采集的编码器数据进行解码处理，以供微型处理器单元读取。

进一步的，所述编码器数据的采样频率与所述合成编码器数据的发送频率相同。

进一步的，所述编码器数据的采样频率为0.1khz～2khz。

进一步的，对解码后的编码器数据进行均值处理获得合成编码器数据的具体方法为：首先针对两组对径安装的钢圈编码器读数头的编码器数据进行合成数据处理，分别获得两个初步合成编码器数据，此时这两个初步合成编码器数据相差90°，针对这两个相差90°的初步合成编码器数据再进行合成数据处理，获得最终的合成编码器数据。

更进一步的，针对对径安装的钢圈编码器读数头的编码器数据进行合成数据处理的具体方法为：将钢圈编码器读数头a、b对径安装，假设钢圈逆时针旋转，若读数头a、b的角度满足b>a，则合成角度θ＝(a+b)/2；若读数头a、b的角度满足b<a，则合成角度θ＝((a+b)/2+180°)-360°，其中，a为读数头a的角度，b为读数头b的角度。

更进一步的，针对两个相差90°的初步合成编码器数据进行合成数据处理的具体方法为：将钢圈编码器读数头c、d呈90°安装，假设钢圈逆时针旋转，若读数头c、d的角度满足d>c，则合成角度θ＝(c+d)/2；若读数头c、d的角度满足d<c，则合成角度θ＝((c+d)/2+180°)-360°，其中，c为读数头c的角度，d为读数头d的角度。

进一步的，所述微型处理器单元为选用c8051f120芯片；所述逻辑处理器单元选用ep4ce22e144芯片。

进一步的，所述rs422接口选用max3077e芯片，用于实现微型处理器单元与伺服控制器之间的串口通信；所述rs232接口选用sp3220芯片，用于实现微型处理器单元与液晶显示屏之间的串口通信；所述eeprom选用at24c04芯片，用于存储编码器协议参数。

进一步的，4个绝对式编码器读数头接口均选用ltc1520芯片；4个增量式编码器读数头接口均选用max3077e芯片。

本发明的有益效果是：

1、本发明实现了钢圈编码器的4个读数头的编码器数据解码，能够通过编码器数据均值处理与合成数据，有效的减小钢圈编码器机械安装过程中的偏心引起的读数误差，提高大直径钢圈编码器的测角精度。

2、本发明的解码器，电路结构比较灵活，兼容多种编码器协议，解码程序可移植性强，测角精度高，通用性较强，适用于大口径望远镜的精密跟踪控制系统。

3、为了提高位置检测精度，采用4个读数头均匀分布的安装方式，通过对4个读数头的数据进行均值处理，达到消除机械安装过程中造成的位置检测误差。因此，本发明的解码器对于提高大口径望远镜的跟踪精度具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明的一种钢圈编码器的四读数头数字信号解码器的结构框图。

图2为钢圈编码器的4个读数头安装方式示意图。

图3为钢圈编码器读数头对径安装时的数据处理示意图(读数头a、b的角度满足b>a)。

图4为钢圈编码器读数头对径安装时的数据处理示意图(读数头a、b的角度满足b＜a)。

图5为钢圈编码器读数头90°安装时的数据处理示意图(读数头c、d的角度满足d>c)。

图6为钢圈编码器读数头90°安装时的数据处理示意图(读数头c、d的角度满足d＜c)。

图中：1-1、钢圈，1-2、码盘零位，1-3、合成角位置，1-4、正确合成角位置，1-5、不正确合成角位置，a～d、读数头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种钢圈编码器的四读数头数字信号解码器，主要由微型处理器单元、外围接口单元、逻辑处理器单元、编码器接口单元和eeprom(电可擦可编程只读存储器)组成。微型处理器单元分别与外围接口单元、逻辑处理器单元相连接，逻辑处理器单元与编码器接口单元相连接。

外围接口单元包括rs422接口、rs232接口和参数存储接口。rs422接口用于实现微型处理器单元与伺服控制器之间的串口通信，rs232接口用于实现微型处理器单元与液晶显示屏之间的串口通信，参数存储接口用于实现微型处理器单元与eeprom之间的通信。

编码器接口单元包括4个增量式编码器读数头接口(第一增量式编码器读数头接口、第二增量式编码器读数头接口、第三增量式编码器读数头接口、第四增量式编码器读数头接口)和4个绝对式编码器读数头接口(第一绝对式编码器读数头接口、第二绝对式编码器读数头接口、第三绝对式编码器读数头接口、第四绝对式编码器读数头接口)。增量式编码器读数头接口用于实现逻辑处理器单元与增量式编码器读数头之间的通信，同时用于实现差分信号到ttl信号的转换。绝对式编码器读数头接口用于实现逻辑处理器单元与绝对式编码器读数头之间的通信，同时用于实现差分信号到ttl信号的转换。增量式编码器读数头和绝对式编码器读数头的信号均以差分信号形式发送和接收。

大口径望远镜控制系统中有4个增量式编码器和4个绝对式编码器。当需要采集增量式编码器的数据时，4个增量式编码器读数头接口与4个增量式编码器读数头对应，采集增量式编码器数据；当需要采集绝对式编码器的数据时，4个绝对式编码器读数头接口与4个绝对式编码器读数头对应，采集绝对式编码器数据。4个增量式编码器数据的采集与4个绝对式编码器数据的采集不是同时进行，而4个增量式编码器数据的采集是同时进行的，4个绝对式编码器数据的采集也是同时进行的。

微型处理器单元通过uart串口和rs422接口与伺服控制器相连，微型处理器单元通过i²c总线和参数存储接口与eeprom(电可擦可编程只读存储器)相连。微型处理器单元通过uart串口和rs422接口接收来自伺服控制器的编码器协议参数，微型处理器单元通过i²c总线和参数存储接口将编码器协议参数固化在eeprom内部。

微型处理器单元通过地址总线和数据总线与逻辑处理器单元相连。微型处理器单元通过i²c总线和参数存储接口读取存储在eeprom内的编码器协议参数，同时通过地址总线和数据总线将编码器协议参数写入逻辑处理器单元。

逻辑处理器单元通过数字接口和增量式编码器读数头接口与4个增量式编码器读数头相连，数字接口、增量式编码器读数头接口、增量式编码器读数头之间为一一对应关系；逻辑处理器单元通过数字接口和绝对式编码器读数头接口与4个绝对式编码器读数头相连，数字接口、绝对式编码器读数头接口、绝对式编码器读数头之间为一一对应关系。

逻辑处理器单元内部包括编码器协议模块和编码器解码模块。逻辑处理器单元中的编码器协议模块读取来自微型处理器单元的编码器协议参数，逻辑处理器单元根据编码器协议参数选择与之对应的编码器读数头接口和解码方式，并且逻辑处理器单元以一定的采样频率(0.1khz～2khz)采集与之对应的编码器读数头的编码器数据，然后通过编码器解码模块对采集的编码器数据进行解码，以供微型处理器单元读取。每次编码器数据采集完成后需要触发微型处理器单元中断，然后再触发微型处理器单元通过数据总线读取由编码器解码模块进行解码后的编码器数据，并对这些编码器数据进行均值处理，获得合成编码器数据。

微型处理器单元通过uart串口和rs232接口与液晶显示屏相连。微型处理器单元将合成编码器数据通过uart串口和rs422接口发送给伺服控制器，同时将采集的编码器数据和合成编码器数据通过uart串口和rs232接口发送给液晶显示屏，实时显示当前的位置检测数据。

本发明的一种钢圈编码器的四读数头数字信号解码器，其具体的工作过程为：系统上电时，微型处理器单元通过uart串口和rs422接口接收来自伺服控制器的编码器协议参数，微型处理器单元通过i²c总线和参数存储接口将编码器协议参数固化在eeprom内部；微型处理器单元通过地址总线和数据总线将编码器协议参数发送到逻辑处理器单元内部的编码器协议模块；逻辑处理器单元根据编码器协议模块寄存器数据选择与之对应的编码器读数头接口和解码方式，并且逻辑处理器单元以0.1khz～2khz的采样频率采集与之对应的编码器读数头的编码器数据，具体的采集过程是：通过增量式编码器读数头接口接收来自增量式编码器读数头的差分信号(±a(±a1、±a2、±a3、±a4)，±b(±b1、±b2、±b3、±b4)，±z(±z1、±z2、±z3、±z4))，经过电平转换为逻辑处理器单元可以处理的单端信号发送给逻辑处理器单元中的编码器解码模块，或者逻辑处理器单元通过绝对式编码器读数头接口向绝对式编码器读数头发送串行时钟信号(±m(±m1、±m2、±m3、±m4))，并接收来自绝对式编码器读数头的串行数据信号(±s(±s1、±s2、±s3、±s4))；然后通过编码器解码模块对编码器数据进行解码，以供微型处理器单元读取；每次编码器数据采集完成后需要触发微型处理器单元中断，然后再触发微型处理器单元通过数据总线读取编码器解码模块寄存器数据，并对这些编码器数据进行均值处理，获得合成编码器数据；微型处理器单元将合成编码器数据通过uart串口和rs422接口发送给伺服控制器，合成编码器数据的发送频率与编码器数据的采样频率相同，同时将采集的编码器数据和合成编码器数据以20hz的发送频率通过uart串口和rs232接口发送给液晶显示屏，并在液晶显示屏上对编码器数据和合成编码器数据进行显示，编码器数据以及合成编码器数据都可以通过rs232接口实时显示在液晶显示屏上。

如图2所示，钢圈编码器的4个读数头呈90°分布安装，这种安装方式可以尽可能的减小安装误差。对解码后的编码器数据进行均值处理获得合成编码器数据的具体方法为：首先针对两组对径安装的钢圈编码器读数头的编码器数据进行合成数据处理，分别获得两个初步合成编码器数据，此时这两个初步合成编码器数据相差90°，针对这两个相差90°的初步合成编码器数据再进行合成数据处理，获得最终的合成编码器数据。

钢圈编码器读数头a、b对径安装时的数据处理方法为：如图3所示，假设钢圈1-1逆时针旋转，此时如果读数头a、b的角度满足b>a，则合成角度θ＝(a+b)/2，正确合成角位置位于图中1-4处，图中1-2为码盘零位；如图4所示，如果读数头a、b的角度满足b<a，则合成角度θ＝((a+b)/2+180°)-360°，正确合成角位置位于图中1-4处，不正确合成角位置位于图中1-5处，图中1-2为码盘零位；图3和图4中，a为读数头a的角度，b为读数头b的角度，-360°操作是保证θ在0°～360°范围内。

钢圈编码器读数头c、d呈90°安装时的数据处理方法为：如图5所示，假设钢圈1-1逆时针旋转，此时如果读数头c、d的角度满足d>c，则合成角度θ＝(c+d)/2，正确合成角位置位于图中1-4处，图中1-2为码盘零位；如图6所示，如果读数头c、d的角度满足d<c，则合成角度θ＝((c+d)/2+180°)-360°，正确合成角位置位于图中1-4处，不正确合成角位置位于图中1-5处，图中1-2为码盘零位；图5和图6中，c为读数头c的角度，d为读数头d的角度，-360°操作是保证θ在0°～360°范围内。

本实施方式中，rs422接口选用max3077e芯片，主要实现微型处理器单元与伺服控制器之间的串口通信。

本实施方式中，rs232接口选用sp3220芯片，主要实现微型处理器单元与液晶显示屏之间的串口通信。

本实施方式中，eeprom选用at24c04芯片，用于存储编码器协议参数，系统上电时微型处理器单元读取其内部的编码器协议参数，并将其发送到逻辑处理器单元内部的编码器协议模块。

本实施方式中，微型处理器单元为mcu，选用c8051f120芯片。

本实施方式中，逻辑处理器单元为fpga，选用ep4ce22e144芯片。

本实施方式中，逻辑处理器单元中的编码器协议模块兼容多种编码器协议，编码器协议模块主要包括bissc协议模块、endat2.2协议模块、ssi协议模块、增量式编码器倍频和计数模块，每种协议模块的数量均为4个。

本实施方式中，上述4个绝对式编码器读数头接口均选用ltc1520芯片，其主要功能是实现差分信号到ttl信号的转换。绝对式编码器读数头的信号以差分形式发送和接收，绝对式编码器读数头的差分信号形式为：±m(±m1、±m2、±m3、±m4)、±s(±s1、±s2、±s3、±s4)，其中，m为串行时钟信号，s为串行数据信号。

本实施方式中，上述4个增量式编码器读数头接口均选用max3077e芯片，其主要功能是实现差分信号到ttl信号的转换。增量式编码器读数头的信号以差分形式发送和接收，增量式编码器读数头的差分信号形式为：±a(±a1、±a2、±a3、±a4)、±b(±b1、±b2、±b3、±b4)、±z(±z1、±z2、±z3、±z4)。

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。