专利名称：一种基于伪随机编码位移传感器的硬件实时校验方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位移测量实时校正技术，尤其是指基于伪随机编码的绝对位移传
感器的硬件实时校验方法和系统，主要针对要求高抗扰，高可靠，高速度，小体积，可定制的 使用环境下。
背景技术：
现有的绝对式位移传感器，常用于工业领域中对精密仪器的定位或校准等等。目 前，新型绝对式传感器一般基于分度_矩阵编码、M序列伪随机码等方式进行编码。比起传 统的绝对式编码，所述的伪随机码编码方式能够縮小码盘/栅尺面积，减少检测头数量，减 小传感器尺寸的同时仍旧保证高精度高速度的要求。它通常包括检测头、物理码盘、读数头 及芯片。基于伪随机码编码的物理码盘上设有多条码道，其中有一条码道上刻制有代表位 置信息的伪随机码。该绝对式位移传感器在工作时，该物理码盘跟随外部系统位置信息的 改变而同步改变，由该检测头检测物理码盘的位置变化信息，该读数头读取该物理码盘的 码道上的伪随机码，并将读取到的该伪随机码传输至相应芯片，通过该芯片进一步处理来 获得该物理码盘表示的当前位置信息。但是，现有技术所使用的伪随机码传感器，没有很好 的手段在实时高速处理检测头检测到的码盘/栅尺信号的同时实时进行验证。而本发明的 出现，将能在几个纳秒的时间内完成实际采样信息和校验信息的比对，可以更加可靠的输 出真实的物理位置信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种伪随机码位移传感器的硬件实时校验方法和系统，使 伪随机码位移传感器在高速高响应(例如在3000转的转速下，响应时间可以达到1微秒 内)的应用环境下，能够最快最可靠的输出准确的位移信息。 本发明提供的伪随机码位移传感器的硬件实时校验方法，首先获得伪随机码码盘 的初始位置信息和当前的伪随机码位置信息；根据方向信号和增量信号，预判下次采集的 伪随机码信息；当实际采集的伪随机码信息和预判值相同，输出当前位置信息；当实际采 集的伪随机码信息和预判值不相同，记录错误信息，并输出校正的位置信息，具体实现如 下 步骤1，从物理码盘的第一码道获取伪随机码信号，并将所述伪随机码信号进行模 数转换；从物理码盘的第二码道获取正余弦输入信号，并将所述正余弦输入信号进行模数 转换； 步骤2，从所述模数转换后的正余弦信号中获取计数脉冲与方向信号； 步骤3，根据所述方向信号对所述计数脉冲计数，生成增量信号；根据所述方向信
号存储所述模数转换后的伪随机码信号； 步骤4，根据所述方向信号及所述增量信号以及所述存储的模数转换后的伪随机
4码信号确定所述物理码盘的初始位置信息和码盘当前的伪随机码位置信息； 步骤5，根据所述的码盘当前位置信息及所述的增量信号以及所述的方向信号，预
测码盘新的连续位置信息； 步骤6，将所述码盘实测位置信息与所述的预测的码盘新的连续位置信息比较，如 一致则所述码盘当前位置信息正确并输出当前位置信息；如不一致则输出所述码盘预测位 置信息并记录错误；如连续n次不一致则记录错误并报警。 所述步骤3中，所述方向信号为正向信号时，所述计数脉冲递增计数生成增量信
号；所述方向信号为反向信号时，所述计数脉冲递减计数生成增量信号。 所述步骤3中，方向信号不变时，存储所述模数转换后的伪随机码信号。 所述步骤4中，根据所述方向信号及所述增量信号以及所述存储的模数转换后的
伪随机码信号确定所述物理码盘的初始位置信息和码盘当前位置信息过程为在方向信号
不变，增量信号变化时，依次将伪随机码信号移入双向移位寄存器；在方向信号不改变，增
量信号等于伪随机码位数的时，伪随机码初始位置信号被确定；将伪随机码初始位置信号
送入计数器中进行伪随机码编码规则下的递加或递减计算，当计算结果等于预先设定的所
述物理码盘的伪随机码绝对位置标记值时，所述计数器递增或递减次数即为码盘当前位置
和所述物理码盘初始位置之间的增量值，该增量值所对应的伪随机码编码数据就是码盘当
前的伪随机码位置信息。 所述步骤5中，根据所述的码盘当前位置信息及所述的增量信号以及所述的方向
信号，预测码盘新的连续位置信息的方法为在方向不变的情况下，所述码盘当前位置信息
和所述增量信息代数和即为所述预测码盘新的连续位置信息。 本发明提供相应的伪随机码位移传感器的硬件实时校验系统包括 第一读数头，用于从物理码盘的第一码道获取伪随机码信号； 第一输入信号波形处理单元，用于对所述伪随机码信号进行模数转换； 第二读数头，用于从物理码盘的第二码道获取正余弦输入信号； 第二输入信号波形处理单元，用于对正余弦输入信号进行模数转换； 移动方向判定模块，用于从所述模数转换后的正余弦号中获取计数脉冲与方向信
号； 计数器，用于根据所述方向信号对所述计数脉冲计数，生成增量信号；
移位寄存器，用于根据所述方向信号存储所述模数转换后的伪随机码信号；
伪随机码生成器，用于在任何时刻根据输入的所述伪随机码信号及所述增量信号 以及所述方向信号，判断出下次将采集的伪随机码信息的预判码值； 硬件实时校验寄存器，用于根据所述预判码值和当前采集伪随机码做比较，并保 存被认可的伪随机码码值； 码值选择器，用于通知系统将所述经过校验的位置信息输出，将所述错误信息通 知系统记录。 所述的硬件实时校验寄存器还用于通知系统将所述经过校验的位置信息输出，将
所述错误信息通知系统记录。 所述的移位寄存器为双向移位寄存器。 本发明与现有技术相比的优点在于
(1)现有的编码器，是在采集到编码信号后，必须要经过查表或者通过运算的方式 得到码盘/栅尺的绝对位置。这个查表和计算的动作将会耗费大量的核心处理单元的机器 时间，从而无法保证在高速的响应速度的同时进行高速的编码校验。本发明中伪随机码位 移传感器的硬件实时校验方法不需要预先存入所有伪随机码数据与位置信息一一对应的 表格，而只需要先确定出初始伪随机码信息，之后伪随机码信息将根据方向信号和增量信 号及时发生改变，改变后的值与当前伪随机码信息比较，选择出正确的伪随机码，并且提供 给外部设备使用，而不再需要进行重复的查表动作，可以减小伪随机码位移传感器尤其是 高位数伪随机码位移传感器的误差，同时可以提高编码器的响应速度，避免传统查表和运 算方式所要花费的大量机器时间，从而满足更高速度、高可靠性的要求。 (2)本发明首先通过确定初始伪随机码信息，相当于确定一个参考点，再由所述方 向信号和所述增量信号发生相应的改变，直接判定下次将采集的伪随机码，因此可以保证 在最快的速度下，直接进行码值的比较验证，而不需要存入伪随机码数据与实际位置信息 一一对应的表格，减少占用芯片的内存，更而无须像现有技术中每次获得伪随机码都需要 进行查表，从而能够实现高速响应的目的。
图1为本发明伪随机码位移传感器的硬件实时校验方法的流程图；
图2为本发明伪随机码位移传感器的硬件实时校验系统实现框图；
图3为本发明中的模拟信号转换为数字信号原理图； 图4为本发明的从所述模数转换后的正余弦信号中获取计数脉冲与方向信号的 流程图； 图5为本发明的根据所述方向信号存储所述模数转换后的伪随机码信号的流程；
图6为本发明中根据所述码盘采集的伪随机码码值和预判的伪随机码码值进行 校验的流程； 图7为伪随机码预判流程。
具体实施例方式
如图1所示，本发明提供的方法，包括以下步骤 步骤1，从物理码盘的第一码道获取伪随机码信号，并对所述伪随机码信号进行模 数转换，其中模拟信号转化为数字信号的原理见图3 ; 步骤2，从物理码盘的第二码道获取正余弦输入信号，并将所述正余弦输入信号进 行模数转换，其中模拟信号转化为数字信号的原理见图3 ; 步骤3，从所述模数转换后的正余弦信号中获取计数脉冲与方向信号； 步骤4，根据所述方向信号对所述计数脉冲计数，生成增量信号； 步骤5，根据所述方向信号存储所述模数转换后的伪随机码信号； 步骤6，根据所存储的伪随机码信号确定物理码盘的初始位置信息；根据所述方
向信号及所述增量信号以及所述码盘初始位置信息确定所述码盘当前位置信息； 步骤7，根据所述码盘当前位置信息及所述的增量信息以及所述的方向信息，预测
码盘新的连续位置信息；
步骤8，将所述预测码盘新的连续位置信息与所述码盘实测位置信息进行对比，如 一致则所述码盘当前位置信息正确并输出；如不一致，则输出所述码盘预测位置信息并记 录错误；如连续n次不一致则记录错误并报警。 下面将详细介绍本发明的各个步骤的具体执行方法的最优选方案，当然不排除可 以通过其他方式实现每一步骤，但均属于本发明所公开的方案的范畴。 在执行步骤1时，从物理码盘的第一码道获取伪随机码信号，可通过常用的读取 方式，从物理码盘的第一码道上获取到模拟的伪随机码信号，并对所述伪随机码信号进行 模数转换，模数转换的过程包括比较、滤波、限幅以及修改直流偏置等处理，处理成符合电 气输入要求的信号，在本发明中步骤1的目的是将模拟的伪随机码信号处理成数字化的伪 随机码信号，具体转换如图3所示，输入的正弦和余弦以及伪随机码信号都是差分信号，这 三路差分信号经过比较器比较成为方波，比较后的方波信号直接输入进FPGA，用于后续的 处理。 在执行步骤2时，从物理码盘的第二码道获取正余弦输入信号，也可以通过常用 的读取方式，从物理码盘的第二码道上获取模拟的正余弦输入信号，正余弦信号是伪随机 码原理所致，环形寻址方法可以利用正余弦信号进行方向判断，优选的，正余弦信号缺一不 可，且两信号要保证正切。将所述正余弦输入信号进行模数转换，其处理过程也包括比较、 滤波、限幅以及修改直流偏置等，将模拟的正余弦信号处理成数字化的正余弦信号，步骤2 可以与步骤1同时进行，具体转换如图3所示。 在执行步骤3时，从所述模数转换后的正余弦信号中获取计数脉冲与方向信号， 主要是根据数字化的正余弦信号的相位获得计数脉冲与方向信号； 当正弦信号超前于余弦信号的时候，可以判定当前的旋转方向为正向，即顺时针 旋转，反之，当正弦信号落后于余弦信号的时候，可以判定当前的旋转方向为反向，即逆时 针旋转。而当正向旋转的时候，采用正弦信号经过比较器产生的方波的上升沿作为计数脉 冲，进行正累加计数，而当反向旋转的时候，采用余弦信号经过比较器产生方波的上升沿作 为计数脉冲，进行负累加计数。 在执行步骤4时，根据所述方向信号对所述计数脉冲计数，生成增量信号；所述方 向信号为一种标志性信号，可以用l和O两种状态表示，方向信号为正向时可理解为方向信 号所处为高电平1 (递增)，反向则可理解为方向信号所处为低电平0 (递减)；此步骤包括 两种情况，第一种情况是，当方向信号为正向(递增)信号时，则对计数脉冲进行递增计数 生成增量信号；若方向信号为反向(递减)信号，则对计数脉冲进行递减计数，据此计数后 可生成增量信号。 在执行步骤5时，根据所述方向信号存储所述模数转换后的伪随机码信号，即步 骤4，当方向信号不变时，存储所述模数转换后的伪随机码信号。 模数转换后的伪随机码信号是一位一位的传入，而N位的伪随机码，则需要有N位 的编码位构成一个完整的伪随机码，如11位的伪随机码，第1位编码位到第11位编码位构 成一个完整的伪随机码，第2位编码位到第12位编码位构成另一个完整的伪随机码，如此 依次类推下去，每一个完整的伪随机码都将包括11位编码位。当N位的伪随机码在方向信 号不变时，传入了一个完整的伪随机码，所述完整的伪随机码信号被视为是有效的，则将此 时的伪随机码信号存储；如11位的伪随机码，在方向信号不变时，传入了从第1位到第11位编码位，构成的完整的伪随机码可视为有效的，可以被存储的；而如果已经在方向信号不 变时移入了 5位编码位，在第6位编码位传入时，方向信号发生了改变，则前面移入的编码 位将被视为无效的，需要从第6位开始确定，即第1位到第11位编码位构成的伪随机码是 无效的，第2位到第12位编码位构成的伪随机码也是无效的等等，直到第5位到第15位编 码位构成的伪随机码都是无效的，确定从第6位到第16位编码位构成的伪随机码是否有效 则依然需要看是否是在方向信号不变时传入。 根据此方法执行直到确定出一个有效的伪随机码，将这个有效的伪随机码进行存 储。步骤5是根据本发明的技术方案的要求，由于本发明所使用的技术方案利用的是，确定 一个初始的伪随机码信息，当物理码盘发生位移变化后，根据方向信号，可以提前知道将要 采集的伪随机码。执行步骤5的目的是为了确定一个初始伪随机码信息，而需要在方向信 号不变才能确定则是由于伪随机码的编码原理所致。 在执行步骤6时，一旦确定出所存储所述伪随机码，就可以根据伪随机码的编码 原理，根据方向信号，开始进行预判计算，确定码盘初始位置信息；之后初始位置信息将根 据所述方向信号及所述增量信号发生改变，其中所述方向信号确定初始位置信息递增或递 减，所述增量信号确定初始位置信息的递增量或递减量，改变后的初始位置信息为所述物 理码盘的当前位置信息；这个当前位置信息是跟随增量信号与方向信号的变化而不断更 新的，增量信号和方向信号确定的相当于是物理码盘的位移变化量，而这个位移变化量都 是以前一时刻的位置信息作为参考，因此可理解为当前位置信息是在前一时刻的位置信息 的基础上线性做加法或者减法获得，增加的量或递减的量则由增量信号和方向信号共同决 定，而初始位置相当于确定的是物理码盘的第一个位置信息。 根据所述方向信号及所述增量信号以及所述存储的模数转换后的伪随机码信号 确定所述物理码盘的初始位置信息和码盘当前位置信息过程为在方向信号不变，增量信 号变化时，依次将伪随机码信号移入双向移位寄存器；在方向信号不改变，增量信号等于伪 随机码位数的时，伪随机码初始位置信号被确定；将伪随机码初始位置信号送入计数器中 进行伪随机码编码规则下的递加或递减计算，当计算结果等于预先设定的所述物理码盘的 伪随机码绝对位置标记值时，所述计数器递增或递减次数即为码盘当前位置和所述物理码 盘初始位置之间的增量值，该增量值所对应的伪随机码编码数据就是码盘当前的伪随机码 位置信息。 在执行步骤7时，根据所述码盘当前位置信息及所述的增量信息以及所述的方向 信息，预测码盘新的连续位置信息。 在方向不变的情况下，码盘当前位置信息和增量信息代数和即为预测码盘新的连 续位置信息。也就是说，根据码盘当前信息和增量信号，结合伪随机码的计算方法，可以计 算出下一次伪随机码采集进来的正确信息如何。例如，当前码盘信息为0X11(16进制)时， 根据伪随机码计算规则，下一个增量信号进来的时候，将采集到0X23的数值，当下一个增 量信号进来的时候，将采集的伪随机码和提前计算好的伪随机码比较，则可以判断出采集 信号是否真实可靠，从而达到校验的目的。 在执行步骤8时，将所述预测码盘新的连续位置信息与所述码盘实测位置信息进 行对比，如一致则所述码盘当前位置信息正确并输出；如不一致，则输出所述码盘预测位置 信息并记录错误；如连续n次不一致则记录错误并报警。
由于伪随机码位移传感器一般是用于精密仪器领域，对数据的准确性要求很高， 因此为了保证获得的实际位置信息的准确性，优选的，从运算模型层面讲，本发明的方法还 可以包括对码盘当前位置信息进行修改，修改过程具体包括，建立虚拟物理码盘；根据所述 初始位置信息确定所述虚拟物理码盘上的首位置信息；根据所述首位置及所述方向信号以 及所述增量信号确定虚拟物理码盘上当前的伪随机码信息；比较所述当前位置信息与所述 当前的伪随机码信息是否对应，如果不对应，通过预先设定的修正系数修正所述当前位置 信息的步骤。 虚拟物理码盘是用来模拟真实的物理码盘。虚拟物理码盘中存储的伪随机码信息 与物理码盘上的伪随机码信息一一对应；建立虚拟物理码盘后，为了真实的模拟物理码盘 上的位置信息，获得当前的伪随机码信息，同样需要确定一个首位置信息作为参考点。
首位置将由初始位置信息来定，根据初始位置信息找到在虚拟物理码盘上对应的 伪随机码，并将此伪随机码作为首位置信息。再由这个首位置及接收的方向信号及增量信 号，确定出虚拟物理码盘上当前的伪随机码信息。其过程包括，以首位置作为参考点，根据 方向信号确定绕虚拟物理码盘转动的方向，当方向信号为正向时，则顺时针旋转，若方向信 号为反向时，则逆时针旋转，同时根据增量信号确定旋转量；转动后虚拟物理码盘上对应的 伪随机码为当前的伪随机码信息；所述当前的伪随机码信息为一个理想状态值，在所有步 骤不发生偏差时，用以模拟物理码盘转动后应该表示的伪随机码信息。 将获得的当前的伪随机码与当前的位置信息进行比较，检验两者是否对应，当两 者对应则说明给出的当前位置信息是准确的；若两者不对应，则说明给出的当前位置信息 有误，此时可通过用户预先设定的修正系数来确定当前错误的类别，此时用户可以知道有 错误发生，如错误的次数发生到一定的数量，可以通过其预设值将此当前位置信息修正为 基本上接近准确或者准确的值。检验当前位置信息与当前的伪随机码信息是否对应的操作 可实时进行，但是为了方便操作，用户也可通过设定时间间隔执行。 本发明所使用的技术方案，由于在确定好初始伪随机码后，以后将根据方向信号 与增量信号发生相应的改变，预判伪随机码信息和实际采集信息比较；因此不需要进行重 复的查表动作，且不需要存入所有伪随机码数据与二进制表示的位置信息一一对应的表 格，因此可以减少占用芯片，达到高速响应，且小体积的目的。由于存在校验的功能，因此可 以达到提高可靠性的目的。 为了更加直观、深入的了解本发明，本发明还提供了与上述方法相对应的伪随机 码位移传感器的实时校验系统，请参照图2，所述伪随机码位移传感器的实时校验系统包 括第一读数头、第二读数头、第一输入信号波形处理单元、第二输入信号波形处理单元、 移动方向判定模块、计数器、移位寄存器、硬件实时校验寄存器、预判寄存器、伪随机码生成 器、码值选择器。 第一读数头，可用于执行上述方法中从物理码盘的第一码道获取伪随机码信号的
步骤；发光体透过指示光栅到达光电池，光电池的电信号输出送到比较器的输入端。 第二读数头，可用于执行上述方法中从物理码盘的第二码道获取正余弦输入信号
的步骤；发光体透过指示光栅到达光电池，光电池的电信号输出送到比较器的输入端。 所述第一读数头与所述第二读数头都是用于读取物理码盘上的信息，读取的信息
都是模拟信号，不过读取的是物理码盘上不同码道上的信息，，但是读取信息的操作都是同步的，而且读取到的伪随机码信号以及正余弦输入信号都可以准确及时的反映物理码盘的 位置变化。 所述第一输入信号波形处理单元，可用于执行上述方法中用于对所述伪随机码信 号进行模数转换的步骤。 所述第二输入信号波形处理单元，可用于执行上述方法中用于对正余弦输入信号 进行模数转换的步骤。 所述第一输入信号波形处理单元与所述第二输入信号波形处理单元的原理相同， 但是两者所设置的参数不同，它们进行模数转换处理的过程都包括比较、滤波、限幅以及修 改直流偏置等，目的是将模拟信号转换为数字信号。第一输入信号波形处理单元采用如图 3所示。 所述移动方向判定模块，可用于执行上述方法中用于从所述模数转换后的正余弦 信号中获取计数脉冲与方向信号的步骤，所述移动方向判定模块可以从数字化的正余弦信 号的相位获取计数脉冲与方向信号。具体如图4所示，正弦信号和余弦信号以差分方式输 入，分别经过比较器比较后，得到正弦和余弦的方波信号，根据正弦超前或者落后余弦，可 以判定方向为正或者为反，方向判定后，分别根据正弦方波的上升沿(正向)或者余弦信号 的上升沿(反向)来做脉冲计数，也就是增量信号。 所述计数器，可用于执行上述方法中根据所述方向信号对所述计数脉冲计数，生 成增量信号的步骤，当方向信号为正向(递增)信号时，计数器对计数脉冲进行递增计数； 若方向信号为反向(递减)信号，计数器对计数脉冲进行递减计数；计数器根据方向信号进 行计数后生成增量信号移位寄存器，可用于执行上述方法中根据所述方向信号存储所述模 数转换后的伪随机码信号的步骤。 所述移位寄存器，用于根据所述方向信号存储所述模数转换后的伪随机码信号。 在此需要特别说明的是所述移位寄存器最优的选择是选用双向移位寄存器，用以节省内部 资源。由于本发明的技术方案中，优选的，移位寄存器当中只暂存一个完整的伪随机码，而 方向信号可能是正向也可能是反向，使得存入的伪随机码也对应的分成了正向的伪随机码 或者反向的伪随机码，若使用单方向的移位寄存器，则需要使用两个移位寄存器，一个用来 存入正向的伪随机码，一个用来存入反向的伪随机码；而如果使用双向的移位寄存器，则不 需要，因为可以将正向的伪随机码从左边移入，反向的伪随机码从右边移入，比如，当移位 寄存器当中存入了一个正向的伪随机码，而后方向信号发生改变，确定出一个反向的有效 的伪随机码，由于这两个伪随机码不同，因此移位寄存器将存入新的伪随机码，此时正向的 伪随机码将从移位寄存器的左边逐位移出，而反向的伪随机码将从移位寄存器的右边逐位 移入。因此使用双向的移位寄存器可以节省内部资源。在图5中，可以看到，伪随机码信号， 在经过比较器后获得处理后的伪随机码信号，即把差分输入的伪随机码信号比较成方波的 伪随机码信号，在11个计数脉冲内，在方向信号不变的情况下，采集到初始的伪随机码信 号，之后就可以随意改变旋转方向而不丢失任何位置信息了 。 硬件实时校验寄存器，可以将采集的或者是预判的正确的伪随机码码值保存在这 个寄存器内以供下次计算使用。 预判寄存器，根据输入的伪随机码，可以根据方向信号计算出下次将要采集的伪 随机码码值。如果方向信号改变，这个预判寄存器也将跟着改变计算的结果，最快的刷新周期可以达到几个纳秒以内。在图7中，可以看到，伪随机码信号采集后，先判断当前的方向 信号是否改变了 ，如果方向信号没有改变，在下一个增量信号到来时，获得方向信号未改变 的伪随机码计算值和采集值，而在方向信号改变的时候，将获得另一个伪随机码计算值和 采集值。将计算值和采集值保存，以供后来的校验部分进行校验功能。 伪随机码生成器，这个功能是能够根据伪随机码的编码规律，指导预判寄存器的 计算和进行绝对位置判断使用的。 码值选择器，当预判的码值和实际采集的码值都已经获得的时候，这个部分实现 一个选择的功能，将最可能准确的码值选择出来。如，预判码值不等于实际采集码值，那么 预判码值将被选择为争取，将实际采集码值暂时放置在缓存中，记录错误，并继续工作；当 预判码值和实际采集码值相等的时候，设备工作正常。 在图6中，可以看到，在真实的伪随机码采集的同时，预判的伪随机码已经计算出 来，经过预判的伪随机码和真实采集的伪随机码码值比较，可以知道采集的信号是有效还 是无效的，这样将更加利于提高编码器的可靠行。 优选的，下面将对整个系统的工作过程作具体说明，以便于更加清楚的了解本发 明技术方案。但是完成本发明的技术方案的执行系统并非只有下述一种，以下举例将以11 位伪随机码作为最佳实施例。 第一读数头，当码盘旋转的时候从物理码盘的第一码道获取伪随机码信号送入第 一波形处理单元，输入的信号在高转速时表现为正弦波，经过比较器将模拟信号正弦波转 换为数字信号方波；第二读数头，同时从物理码盘的第二码道获取正余弦输入信号送入第 二波形处理单元进行处理，输入的信号仍旧是正弦波的形式经过比较器转换成为数字方波 信号；所述第一输入信号波形处理单元，对所述伪随机码信号进行模数转换获得数字化的 伪随机码送入至移位寄存器，即正弦波经比较器转换为数字方波，方波信号逐次移位进伪 随机码的移位寄存器。所述第二输入信号波形处理单元，对正余弦输入信号进行模数转换， 获得数字化的正余弦信号，即正弦波经比较器转换为数字方波，方波信号直接输入到伪随 机码方向判断单元和增量信号单元。数字化的正余弦信号进入移动方向判定模块，并由移 动方向判定模块产生计数脉冲与方向信号；计数脉冲送入计数器，方向信号则送入移位寄 存器、计数器、硬件实时校验寄存器、预判寄存器、伪随机码生成器以及码值选择器。
举例说明(11位): 当伪随机码编码器上电后，第一读数头和第二读数头随时采样输入的光线经码盘 后光电转换的信号。根据第二读数头输入的信号，判断在方向没有发生变化的时候，伪随 机码移动了 11个绝对位置后，第一读数头已经移位存入了一个伪随机码，而方向并没有改 变，此伪随机码是有效码值。至此，初始伪随机码已经直接获得，而初始绝对位置也将根据 伪随机码的编码规则间接获得，并同时根据伪随机码编码规则预判出下一位将移入的伪随 机码码值是0还是1 (假设预判出下次移入值为1)。 此后，如果继续不改变方向，移动一个位置，那么第一读数头采集到的信号将经过 模数转换变成电平信号(假设此时为1)，以0或者1的数字移位进入伪随机码编码器的移 位寄存器，假设正向时候移位是从高位移入低位移出.此时，l将被移入到移位寄存器的最 高位BIT11，而原来的ll位数字顺次右移，原来的最低位被丢弃。与此同时，预判码值和实 际移入的码值进行了比较，发现是一致的(预判为1采样为1)，则继续产生下一次预判值和等待下次采样移入。而当预判值和采样值不一致，则系统记录当前的错误信息，并将错误计
数器加l，系统将选择预判值作为伪随机码值。然后，继续重复预判和采样的动作。
当方向被改变，那么在方向改变后且没有再次变换方向的时候，在IO个位置里，
第一读数头将顺次采样上次伪随机码的次低位到最高位的值，即将首先采样上次伪随机码
码值的BIT1，其次采样BIT2直到BITll。预判值可以即时产生，并和实际采样进来的码值
进行比较。 在此系统中，预判的伪随机码信息提前于当前的采样的伪随机码，一旦当前的伪
随机码被采样，则立刻进入正确与否的比较中。其响应时间以纳秒来计算，因此，几乎可以
认为是实时校验。这样大大增加了整个系统的可靠性，增加了数据输出的准确度。 以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明
的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范
围之内。
1权利要求
一种基于伪随机编码位移传感器的硬件实时校验方法，其特征在于首先获得伪随机码码盘的初始位置信息和当前的伪随机码位置信息；根据方向信号和增量信号，预判下次采集的伪随机码信息；当实际采集的伪随机码信息和预判值相同，输出当前位置信息；当实际采集的伪随机码信息和预判值不相同，记录错误信息，并输出校正的位置信息，具体实现如下步骤1，从物理码盘的第一码道获取伪随机码信号，并将所述伪随机码信号进行模数转换；从物理码盘的第二码道获取正余弦输入信号，并将所述正余弦输入信号进行模数转换；步骤2，从所述模数转换后的正余弦信号中获取计数脉冲与方向信号；步骤3，根据所述方向信号对所述计数脉冲计数，生成增量信号；根据所述方向信号存储所述模数转换后的伪随机码信号；步骤4，根据所述方向信号及所述增量信号以及所述存储的模数转换后的伪随机码信号确定所述物理码盘的初始位置信息和码盘当前的伪随机码位置信息；步骤5，根据所述的码盘当前位置信息及所述的增量信号以及所述的方向信号，预测码盘新的连续位置信息；步骤6，将所述码盘实测位置信息与所述的预测的码盘新的连续位置信息比较，如一致则所述码盘当前位置信息正确并输出当前位置信息；如不一致则输出所述码盘预测位置信息并记录错误；如连续n次不一致则记录错误并报警。
2. 根据权利要求1所述的伪随机码位移传感器的硬件实时校验方法，其特征在于所 述步骤3中，所述方向信号为正向信号时，所述计数脉冲递增计数生成增量信号；所述方向 信号为反向信号时，所述计数脉冲递减计数生成增量信号。
3. 根据权利要求1所述的伪随机码位移传感器的硬件实时校验方法，其特征在于所 述步骤3中，方向信号不变时，存储所述模数转换后的伪随机码信号。
4. 根据权利要求1所述的伪随机码位移传感器的硬件实时校验方法，其特征在于所 述步骤4中，根据所述方向信号及所述增量信号以及所述存储的模数转换后的伪随机码信 号确定所述物理码盘的初始位置信息和码盘当前位置信息过程为在方向信号不变，增量 信号变化时，依次将伪随机码信号移入双向移位寄存器；在方向信号不改变，增量信号等于 伪随机码位数的时，伪随机码初始位置信号被确定；将伪随机码初始位置信号送入计数器 中进行伪随机码编码规则下的递加或递减计算，当计算结果等于预先设定的所述物理码盘 的伪随机码绝对位置标记值时，所述计数器递增或递减次数即为码盘当前位置和所述物理 码盘初始位置之间的增量值，该增量值所对应的伪随机码编码数据就是码盘当前的伪随机 码位置信息。
5. 根据权利要求1所述的伪随机码位移传感器的硬件实时校验方法，其特征在于所 述步骤5中，根据所述的码盘当前位置信息及所述的增量信号以及所述的方向信号，预测 码盘新的连续位置信息的方法为在方向不变的情况下，所述码盘当前位置信息和所述增 量信息代数和即为所述预测码盘新的连续位置信息。
6. 根据权利要求1所述的伪随机码位移传感器的硬件实时校验方法，其特征在于所 述步骤6中，需要对当前位置信息进行修改，修改过程为建立虚拟物理码盘；根据所述初 始位置信息确定所述虚拟物理码盘上的首位置信息；根据所述首位置及所述方向信号以及所述增量信号确定虚拟物理码盘上当前的伪随机码信息；比较所述当前位置信息与所述当 前的伪随机码信息是否对应，如果不对应，通过预先设定的修正系数修正所述当前位置信 息的步骤。
7. —种伪随机码位移传感器的硬件实时校验系统，其特征在于包括 第一读数头，用于从物理码盘的第一码道获取伪随机码信号； 第一输入信号波形处理单元，用于对所述伪随机码信号进行模数转换； 第二读数头，用于从物理码盘的第二码道获取正余弦输入信号； 第二输入信号波形处理单元，用于对正余弦输入信号进行模数转换； 移动方向判定模块，用于从所述模数转换后的正余弦号中获取计数脉冲与方向信号； 计数器，用于根据所述方向信号对所述计数脉冲计数，生成增量信号； 移位寄存器，用于根据所述方向信号存储所述模数转换后的伪随机码信号； 伪随机码生成器，用于在任何时刻根据输入的所述伪随机码信号及所述增量信号以及所述方向信号，判断出下次将采集的伪随机码信息的预判码值；硬件实时校验寄存器，用于根据所述预判码值和当前采集伪随机码做比较，并保存被 认可的伪随机码码值；码值选择器，用于通知系统将所述经过校验的位置信息输出，将所述错误信息通知系 统记录。
8. 根据权利要求7所述的伪随机码位移传感器的硬件实时校验系统，其特征在于所 述的硬件实时校验寄存器还用于通知系统将所述经过校验的位置信息输出，将所述错误信 息通知系统记录。
9. 根据权利要求7所述的伪随机码位移传感器的硬件实时校验系统，其特征在于所 述的移位寄存器为双向移位寄存器。
全文摘要
一种基于伪随机编码位移传感器的硬件实时校验方法，首先获得伪随机码码盘的初始位置信息和当前的伪随机码位置信息；根据方向信号和增量信号，预判下次采集的伪随机码信息；当实际采集的伪随机码信息和预判值相同，输出当前位置信息；当实际采集的伪随机码信息和预判值不相同，记录错误信息，并输出校正的位置信息。本发明使伪随机码位移传感器在高速高响应的应用环境下，能够最快最可靠的输出准确的位移信息。
文档编号G01D5/36GK101782405SQ20101010158
公开日2010年7月21日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者刘鉴, 汪涌, 王仲勋, 谢元元, 邬继泽, 魏全忠, 魏慧林, 黄勇 申请人:中国科学院光电技术研究所;广州中国科学院工业技术研究院