一种锁频激光定位装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于锁频激光扫描技术的定位装置，尤指一种主要应用于轨道移动机车在有限点定点作业的位置识别、精密定位、车号识别及自动控制的激光定位检测装置。

背景技术：

目前常用于移动机车(车辆)做有限点定点作业的自动化过程中的定位检测技术主要有感应无线技术、射频卡技术等，近年来由于激光读码技术的发展出现了多种以编码牌结合激光收发电路组成的绝对编码地址检测装置，从而使在上述移动机车定位检测过程中变得与感应无线、射频卡等技术相比具有更加易于安装维护、更加稳定可靠的特点，但也存在明显的缺陷：

因为一个码牌代表一个点的编号，所以只知道码牌所在范围的唯一点位置，而不知道码牌所在范围内的连续精确位置；

在室外粉尘污染大和杂散光的干扰强的地方无法正常工作；

为了克服以上缺陷并区别于一般的激光编码地址检测装置在编码牌形式的设计、激光收发电路组成和信号形态的不同，本实用新型定义该激光定位检测装置为“锁频激光定位装置”。

技术实现要素：

为了克服上述不足之处，本实用新型的主要目的旨在提供一种基于锁频激光技术的定位检测装置，由于有轨移动机车(如焦炉生产)要求具有高精度绝对编码定位、又要求能抗室外强粉尘和杂散光的干扰，因此，地址码牌的组成形式和读解码器的设计成为技术关键，本实用新型是一种在复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)技术和一般光电编码扫描技术的基础上，独立自主研制的以“细分刻度透光编码牌”和“锁频激光扫描读码”为核心技术形成的高精度定位装置，在编码牌形式的设计、激光收发电路组成和信号形态的上区别于一般的激光编码位置检测装置，它具有绝对编码、快速检测、定位精确和很强的抗干扰的能力，是一种经过实际工程检验的技术的一种锁频激光定位装置。

本实用新型要解决的技术问题是：主要解决如何设计细分刻度透光编码牌和锁频激光扫描读码的结构问题；要解决如何在室外强粉尘和杂散光的干扰的情况下，能对有轨移动机车进行高精度绝对编码定位，并能判别移动机车的运动方向等有关技术问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置包括细分刻度透光编码牌、锁频激光扫描读码器及数据通信；锁频激光扫描读码器包括可控激光模组、信号检测模组及信号锁频解码模组；信号锁频解码模组包括解码处理 CPU模块、锁频检出及方向识别CPLD模块、电源变换及驱动电路模块及接口电路模块；信号检测模组包括激光接收电路模块A及激光接收电路模块B；细分刻度透光编码牌的输入端分别与可控激光模组的端口相互电连接，细分刻度透光编码牌的输出端分别与信号检测模组的端口相互电连接；数据通信的端口分别与信号锁频解码模组的端口相互电连接；其中：

细分刻度透光编码牌由编码孔序和采样时钟孔序两排孔洞组成，编码孔序包括至少一个小长方形孔，等间距排列于码牌板材的水平方向上，采样时钟孔序兼精密细分刻度，包括至少一个呈阶梯锯齿孔状的孔洞，等间距排列于码牌板材的水平方向上；一个呈阶梯锯齿孔状的孔洞中设定有一个采样时钟孔，对应在一个编码小长方形孔的正下方，一个阶梯锯齿孔由至少二个小长方形孔洞相连构成；

可控激光模组设有可控驱动部分、方波信号源和激光发射灯组；方波信号源的输出端经由可控驱动部分与激光发射灯组的端口相互电连接；

信号检测模组设有激光感应电路和信号检测整形放大电路；激光感应电路接收感应到扫描细分刻度透光码牌的激光发射灯的光信号，经过激光感应电路的输出端经隔直后与信号检测整形放大电路的端口相互电连接，其检测到的输出信号经整形放大后与信号锁频解码模组的端口相互电连接；

信号锁频解码模组设有锁频检出电路、方向识别电路、数据解码电路和本振电路；锁频检出电路的输出端与方向识别电路的输入端相互并接后，其输出信号经由数据解码电路与数据通信的接口电路模块输入端相互电连接。

进一步的，所述的一种锁频激光定位装置的细分刻度透光编码牌由至少1 个编码孔组成编码孔序和至少1个采样孔组成采样时钟孔序兼精密细分刻度，另有三个为安装孔，其中，至少1个编码孔为水平等间距排列，至少1个采样孔呈阶梯锯齿状与至少1个编码孔一一对应，在采样孔中包含一个采样时钟孔，每个采样孔所占的宽度就是每两个相邻的编码孔的间距。

进一步的，所述的一种锁频激光定位装置的可控驱动部分由电源变换电路、 MOSFET晶体管驱动电路组成，方波信号源由本振电路产生4.8kHz方波信号，激光发射灯组由一盏编码信号激光发射灯及至少两盏精密细分刻度激光发射灯组成，方波信号源的输出端与可控驱动部分输入端相互电连接，可控驱动部分的输出端与激光发射灯组端口相互电连接；精密细分刻度激光发射灯盏数由采样时钟孔的阶梯数决定，编码信号激光发射灯及精密细分刻度激光发射灯成竖排安装在一条直线上，编码信号激光发射灯与编码孔序中心线对齐，每个精密细分刻度激光发射灯与时钟采样孔序的阶梯锯齿状孔的其中一个小长方形孔的中心线为一一对齐结构。

进一步的，所述的一种锁频激光定位装置的激光感应电路由一盏编码信号强光感应灯、至少两盏精密细分刻度强光感应灯及接收电路组成，编码信号强光感应灯及精密细分刻度强光感应灯成竖排安装在一条直线上的中心线，激光感应电路强光感应灯与激光发射灯组为一一对准结构；信号检测整形放大电路由高灵敏检测电路、补偿电路及放大器通道组成，信号经由接收放大通道与锁频检出电路端口相互电连接。

进一步的，所述的一种锁频激光定位装置的锁频检出电路由数字锁相回路 PLL(Phase Locking Loop)构成，与方向识别电路一起集成在一片CPLD芯片上，数据解码电路由微处理器C8051F340/1/4/5及外围电路构成，本振电路的一端与可控激光模组的输入端口相互电连接，为可控激光模组提供方波信号，另一端与锁频检出电路的输入端口相互电连接，为锁频检出电路提供时钟信号。

进一步的，所述的一种锁频激光定位装置的数据通信包括数据隔离接口电路及485标准通信电路，数据通信的接口电路与数据解码电路的端口相互电连接，精密地址、运动方向和对准定位信息通过数据隔离接口电路及485标准通信电路传输到外部可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)上。

本实用新型的有益效果是：该装置提供了一种基于锁频激光技术的定位检测装置，是一种在CPLD技术和一般光电编码扫描技术的基础上，独立自主研制的以“细分刻度透光编码牌”和“锁频激光扫描读码”为核心技术形成的高精度定位装置，在编码牌形式的设计、激光收发电路组成和信号形态的上区别于一般的激光编码位置检测装置，其优点表现在：检测精度高，在码牌所在范围内具有毫米级的连续位置检测能力，检测精度高，在码牌所在范围内，具有2.5mm以下的连续位置检测能力；抗室外粉尘和环境杂散光的干扰能力强；能够识别正反方向扫描读码状态；能广泛应用于轨道移动机车在有限点定点作业的位置识别、精密定位及车号识别；具有“绝对编码”检测能力，定位稳定、可靠性高，安装维护简单等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图1为本实用新型的系统结构框图；

附图2为本实用新型的细分刻度透光编码牌结构示意图；

附图3为本实用新型的激光扫描读码器电路结构示意图；

附图中标号说明：

1—细分刻度透光编码牌；

101—编码孔序；

102—采样时钟孔序；

103—等分精密细分刻度；

104—激光发射灯；

2—锁频激光扫描读码器；

3—数据通信；

4—可控激光调理模组；

41—可控驱动部分；

42—方波信号源；

43—激光发射灯组；

5—信号检测模组；

51—激光感应电路；

52—信号检测整形放大电路；

6—信号锁频解码模组；

61—锁频检出电路；

62—方向识别电路；

63—数据解码电路；

64—本振电路；

7—解码处理CPU模块；

8—锁频检出及方向识别CPLD模块；

9—电源变换及驱动电路模块；

10—接口电路模块；

11—激光接收电路模块A；

12—激光接收电路模块B；

具体实施方式

请参阅附图1、2、3所示，本实用新型包括细分刻度透光编码牌1、锁频激光扫描读码器2及数据通信3；锁频激光扫描读码器2包括可控激光模组4、信号检测模组5及信号锁频解码模组6；信号锁频解码模组6包括解码处理CPU 模块7、锁频检出及方向识别CPLD模块8、电源变换及驱动电路模块9及接口电路模块10；信号检测模组5包括激光接收电路模块A11及激光接收电路模块 B 12；细分刻度透光编码牌1的输入端分别与可控激光模组4的端口相互电连接，细分刻度透光编码牌1的输出端分别与信号检测模组5的端口相互电连接；数据通信3的端口分别与信号锁频解码模组6的端口相互电连接；其中：

细分刻度透光编码牌1由编码孔序101和采样时钟孔序102两排孔洞组成，编码孔序101包括至少一个小长方形孔，等间距排列于码牌板材的水平方向上，采样时钟孔序102兼精密细分刻度，包括至少一个呈阶梯锯齿孔状的孔洞，等间距排列于码牌板材的水平方向上；一个呈阶梯锯齿孔状的孔洞中设定有一个采样时钟孔，对应在一个编码小长方形孔的正下方，一个阶梯锯齿孔由至少二个小长方形孔洞相连构成；

可控激光模组4设有可控驱动部分41、方波信号源42和激光发射灯组43；方波信号源42的输出端经由可控驱动部分41与激光发射灯组43的端口相互电连接；

信号检测模组5设有激光感应电路51和信号检测整形放大电路52；激光感应电路51接收感应到扫描细分刻度透光码牌1的激光发射灯104的光信号，经过激光感应电路51的输出端经隔直后与信号检测整形放大电路52的端口相互电连接，其检测到的输出信号经整形放大后与信号锁频解码模组6的端口相互电连接；

信号锁频解码模组6设有锁频检出电路61、方向识别电路62、数据解码电路63和本振电路64；锁频检出电路61的输出端与方向识别电路62的输入端相互并接后，其输出信号经由数据解码电路63与数据通信3的接口电路模块10 输入端相互电连接。

请参阅附图2所示，进一步的，所述的一种锁频激光定位装置的细分刻度透光编码牌1由至少1个编码孔组成编码孔序101和至少1个采样孔组成采样时钟孔序102兼精密细分刻度，另有三个为安装孔，其中，至少1个编码孔为水平等间距排列，至少1个采样孔呈阶梯锯齿状与至少1个编码孔一一对应，在采样孔中包含一个采样时钟孔，每个采样孔所占的宽度就是每两个相邻的编码孔的间距。

请参阅附图1所示，进一步的，所述的一种锁频激光定位装置的可控驱动部分41由电源变换电路、MOSFET晶体管驱动电路组成，方波信号源42由本振电路产生4.8kHz方波信号，激光发射灯组43由一盏编码信号激光发射灯及至少两盏精密细分刻度激光发射灯组成，方波信号源42的输出端与可控驱动部分 41输入端相互电连接，可控驱动部分41的输出端与激光发射灯组43端口相互电连接；精密细分刻度激光发射灯盏数由采样时钟孔的阶梯数决定，编码信号激光发射灯及精密细分刻度激光发射灯成竖排安装在一条直线上，编码信号激光发射灯与编码孔序101中心线对齐，每个精密细分刻度激光发射灯与采样时钟孔序102的阶梯锯齿状孔的其中一个小长方形孔的中心线为一一对齐结构。

请参阅附图3所示，进一步的，所述的一种锁频激光定位装置的激光感应电路51由一盏编码信号强光感应灯、至少两盏精密细分刻度强光感应灯及接收电路组成，编码信号强光感应灯及精密细分刻度强光感应灯成竖排安装在一条直线上的中心线，激光感应电路51强光感应灯与激光发射灯组43为一一对准结构；信号检测整形放大电路52由高灵敏检测电路、补偿电路及放大器通道组成，信号经由接收放大通道与锁频检出电路61端口相互电连接。

请参阅附图3所示，进一步的，所述的一种锁频激光定位装置的锁频检出电路61由数字PLL构成，与方向识别电路62一起集成在一片CPLD芯片上，数据解码电路63由微处理器C8051F340/1/4/5及外围电路构成，本振电路64的一端与可控激光模组4的输入端口相互电连接，为可控激光模组4提供方波信号，另一端与锁频检出电路61的输入端口相互电连接，为锁频检出电路61提供时钟信号。

进一步的，所述的一种锁频激光定位装置的数据通信3包括数据隔离接口电路及485标准通信电路，数据通信3的接口电路与数据解码电路63的端口相互电连接，精密地址、运动方向和对准定位信息通过数据隔离接口电路及485 标准通信电路传输到外部PLC上。

本实用新型的具体结构特征如下：

请参阅附图1、2、3所示，一种锁频激光定位装置，包括细分刻度透光编码牌1、锁频激光扫描读码器2及数据通信3，其中细分刻度透光编码牌1是一种表示信号序列的新型激光定位检测装置，由“编码孔序”101和“采样时钟孔序”兼精密细分刻度的两排孔洞组成；锁频激光扫描读码器2整合在U型保护外套内，又包括有可控激光调理模组4、信号检测模组5、信号锁频解码模组6 等部分，可控激光调理模组4发射已调理的光信号，通过扫描细分刻度透光编码牌1，信号检测模组5接收到带有编码牌信息的光信号，经过隔直及信号整形放大后与信号锁频解码模组6连接，信号锁频解码模组6将信号锁频解码后，得到的编码牌信息输出到数据通信电路3；其中：

细分刻度透光编码牌1由有表示信号序列的“编码孔序”101和“采样时钟孔序” 102兼精密细分刻度的两排孔洞组成；“编码孔序”101包括至少1个小长方形孔，等间距排列于码牌板材的水平方向上，“采样时钟孔序”102兼精密细分刻度包括至少1个呈阶梯锯齿孔状的孔洞，等间距排列于码牌板材的水平方向上；一个呈阶梯锯齿孔状的孔洞中设定有一个采样时钟孔，对应在一个编码小长方形孔的正下方，一个阶梯锯齿孔由至少2个小长方形孔洞相连构成。

可控激光调理模组4由方波信号源42、激光发射灯组43及可控驱动部分41组成，其中，方波信号源42由本振电路产生4.8kHz方波信号，通过可控驱动部分41进行信号调理，已调理信号连接到激光发射灯组43发射；可控驱动部分41由电源变换电路、MOSFET晶体管驱动电路组成，激光发射灯组43由一盏编码信号激光发射灯及至少两盏精密细分刻度激光发射灯组成，精密细分刻度激光发射灯盏数由采样时钟孔的阶梯数决定；编码信号激光发射灯及精密细分刻度激光发射灯成竖排安装在一条直线上，编码信号激光发射灯与“编码孔序”101中心线对齐，每个精密细分刻度激光发射灯与“采样时钟孔序”102 的阶梯锯齿状孔的其中一个小长方形孔的中心线一一对齐。

信号检测模组5由激光感应电路51和信号检测整形放大电路52组成，其中，激光感应电路51由一盏编码信号强光感应灯、至少两盏精密细分刻度强光感应灯及接收电路组成，编码信号强光感应灯及精密细分刻度强光感应灯成竖排安装在一条直线上中心线，激光感应电路51强光感应灯与激光发射灯组43 一一对准；信号检测整形放大电路52由高灵敏检测电路、补偿电路及放大通道组成，将信号通过高灵敏的接收放大通道不受干扰地检测出来，输出到号锁频解码模组6。

信号锁频解码模组6由本振电路64、锁频检出电路61、方向识别电路62及数据解码电路63组成，其中，本振电路64一方面向可控激光调理模组4提供方波信号，另一方面向锁频检出电路61提供时钟信号，锁频检出电路61由数字 PLL构成，与方向识别电路62一起集成在一片CPLD芯片上，数据解码电路63 由微处理器C8051F340/1/4/5及外围电路构成。

数据通信3包括数据隔离接口电路及485标准通信电路，精密地址、运动方向和对准等定位信息通过数据隔离接口电路及485标准通信电路传输到外部 PLC上。

请参阅附图1所示，本实用新型为一种锁频激光定位装置，包括细分刻度透光编码牌1、锁频激光扫描读码器2及数据通信3，其中细分刻度透光编码牌 1是一种表示信号序列的新型激光定位检测装置，由“编码孔序”101和“采样时钟孔序”102兼精密细分刻度的两排孔洞组成；锁频激光扫描读码器2整合在 U型保护外套内，又包括有可控激光调理模组4、信号检测模组5、信号锁频解码模组6等部分，可控激光调理模组4发射已调理的光信号，通过扫描细分刻度透光编码牌1，信号检测模组5接收到带有编码牌信息的光信号，经过隔直及信号整形放大后与信号锁频解码模组6连接，信号锁频解码模组6将信号锁频解码后，得到的编码牌信息输出到数据通信电路3。

请参阅附图2所示，所述的一种锁频激光定位装置的细分刻度透光编码牌1 由14个编码孔组成“编码孔序”101和14个采样孔组成“采样时钟孔序”102 兼精密细分刻度，另三个为安装孔，其中，14个编码孔为水平等间距排列，14 个采样孔呈阶梯锯齿状与14个编码孔一一对应，在采样孔中包含一个采样时钟孔，每个采样孔所占的宽度就是每两个相邻的编码孔的间距。

在本实施例中，当机车移动时，锁频激光扫描读码器2中的激光发射灯组43的激光发射灯104的D1灯扫描编码孔序，在采样时钟孔序102的作用下，锁频激光扫描读码器2可以读入编码孔序101的14个开孔位置的开孔或不开孔的状态，从而得出码牌为何种编码，能够确定2¹⁴个不同的有限点位或者车号，即16384 个不同的有限点位或者车号。

又当机车移动时，锁频激光扫描读码器2中的激光发射灯组43的激光发射灯104的6个激光发射灯D2、D3—D7从右向左扫描其中的一个采样时钟孔序时，会依次产生D1透光、D1D2透光、D2透光、D2D3透光、D3透光、D3D4 透光、D4透光、D4D5透光、D5透光、D5D6透光、D6透光，经过锁频激光扫描读码器2识别透光情况产生11种不同的唯一状态，从而检测出11个等分精密细分刻度103。

在本实施例中，每个采样孔所占的宽度间距为27.5mm，当激光发射灯组扫描过透光编码牌的一个采样孔时，将采样孔所占的宽度27.5mm分出了11等份，每一等份的宽为2.5mm，则装置的检测精度就为2.5mm。

请参阅附图3所示，所述的一种锁频激光定位装置的锁频激光扫描读码器2 由可控激光调理模组4、信号检测模组5、信号锁频解码模组6等部分组成，其中，可控激光调理模组4又由可控驱动部分41方波信号源、激光发射灯组组成，在本实施例中，可控驱动部分41的功能主要由电源变换及驱动电路模块9完成，所连接的方波信号源由锁频检出及方向识别CPLD模块8的Lamp输出端提供，激光发射灯组的发射信号则由电源变换及驱动电路模块9输出端LDRV提供；信号检测模组5由激光感应电路51和信号检测整形放大电路52组成，在本实施例中，激光感应电路51和信号检测整形放大电路52由强光感应接收灯组

D1—D7和激光接收电路模块A11、激光接收电路模块B 12组成，接收到的带有编码牌信息的光信号，经过激光接收电路模块A11、激光接收电路模块B 12 隔直及信号整形放大后，输出信号OUT1—OUT7通过总线输出到锁频检出及方向识别CPLD模块8；信号锁频解码模组6包括本振电路64、锁频检出电路61、方向识别电路62及数据解码电路63，在本实施例中，本振电路64、锁频检出电路61及方向识别电路62的功能集成在锁频检出及方向识别CPLD模块8中，数据解码电路63功能则由解码处理CPU模块7完成；

请参阅附图3所示，所述的一种锁频激光定位装置的数据通信电路3，在本实施例中，数据通信电路3的功能由接口电路模块10和解码处理CPU模块7 中的485通信接口完成。

所述的细分刻度透光编码牌1是一种表示信号序列的新型激光定位检测装置，由“编码孔序”和“采样时钟孔序”兼精密细分刻度的两排孔洞组成。细分刻度透光编码牌1是合金材质的无源器件，具有任何其他电、磁器件所无可比拟的耐用性和易维护性，各编码牌之间无绝对关联性，即使其中某块编码牌出现问题，也不会影响其他部分的正常使用，因此，能够保障故障率很低。

请参阅图2所示，具体的，“编码孔序”有14个开孔位置，根据开孔或不开孔所表示的二进制编码，可以构成2¹⁴个不同编号的编码。

又具体的，每个采样孔由6个小长方形孔依次呈阶梯状相连而成，当激光发射灯104扫描过透光编码牌的一个采样孔时能检出(2*6-1)＝11个不同的唯一状态，定义为11个等分精密细分刻度103，在本实施例中，每个采样孔所占的宽度间距为27.5mm，当激光灯组扫描过透光编码牌的一个采样孔时，将采样孔所占的宽度27.5mm分出了11等份，每一等份的宽为2.5mm，则装置的检测精度就为2.5mm。

请参阅图3，所述的锁频激光扫描读码器2整合在U型保护外套内，又包括有可控激光调理模组4、信号检测模组5、信号锁频解码模组6等部分，可控激光调理模组4发射已调理的光信号，通过扫描细分刻度透光编码牌1，信号检测模组5接收到带有编码牌信息的光信号，经过隔直、污垢自动判别及信号整形放大及差分式干扰光排除后与信号锁频解码模组6连接，信号锁频解码模组6 将信号锁频解码后，解析成运动方向、对准、编码牌地址等信息输出到数据通信电路3。

所述的锁频激光扫描读码器2采用方波信号源调理激光发射、本振频率接收锁定的信号检测模式，这就是“锁频激光”的由来，使得“污垢”和“环境光”造成的影响与本装置激光具有完全不同的形式，能把同一环境的“环境光”和“污垢衰减”造成的影响检测出来，这就可以通过高灵敏的接收放大通道使信号不受干扰地检测出来，保证了装置的抗干扰性能。

本实施例的工作原理及其工作过程：

假设本实用新型编码孔序101包括M个编码孔，而采样时钟孔序102包括 M个采样孔，且每相邻采样孔的间距为S，锁频激光扫描读码器2的激光发射灯组43包括编码1个激光发射灯和H个采样激光发射灯，H个采样激光发射灯分别是L1、L2、L3、…Lh-1和Lh，则通过设计，锁频激光扫描读码器2能检出的刻度数为2*H-1，当锁频激光扫描读码器2扫描时能检测出2*H-1个不同状态，每一个状态为一刻度，每一刻度为S/(2*H-1)，则S/(2*H-1)就是检测精度。

M个编码孔有M个开孔位置，根据开孔或不开孔所表示的二进制编码，可以构成2^M个不同编号的编码。

当机车移动时，锁频激光扫描读码器2扫描编码孔序101，在采样时钟孔序102 的作用下，锁频激光扫描读码器2可以读入编码孔序101的M个开孔位置的开孔或不开孔的状态，从而得出码牌为何种编码，能够确定2^M个不同的有限点位或者车号。

当机车移动时，锁频激光扫描读码器2从右向左扫描其中的一个采样时钟孔序102时，会依次发生激光发射灯组43的D1透光、D1D2透光、D2透光、 D2D3透光、D3透光、D3D4透光、D4透光、…Dh-1透光、Dh-1Dh透光、Dh 透光，经过锁频激光扫描读码器2的电路识别透光情况产生2*H-1种激光灯工作状态，从而检测出2*H-1个精密细分刻度。

锁频激光扫描读码器2又能够根据激光灯组工作状态的方向变化确定机车的运动方向，故当正反方向扫描具有细分刻度的透光码牌(1)时也能够识别具有细分刻度码牌的编码孔序101及等分细分刻度103。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。