一种增量式光电轴角编码器数据处理装置及处理方法与流程

本发明属于光电轴角编码器技术领域，特别涉及一种增量式光电轴角编码器数据处理装置及处理方法。

背景技术：

光电轴角编码器是测量角位移的光电传感器。增量式光电轴角编码器一般只需要三条码道，用于产生计数脉冲。码盘的外道和中间码道具有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区(光栅)，但是两道扇区相互错开半个周期。当码盘转动时，它的读数头输出信号是四路相位差为1/4周期的正弦信号，经差分放大后输出两路相位差为1/4的正弦信号。正弦信号经比较器整形后变为方波信号，方波信号经过解码电路后送入单片机进行计数，单片机形成角度代码输出。

我们认为与本发明最为接近的已有电路是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制开发的增量式光电轴角编码器计数装置，包括光电轴角编码器输出的两路方波信号A相、B相、异或门电路74HC86和触发器74HC74、最后形成脉冲信号和方向信号送入单片机处理。

由于增量式编码器容易产生信号抖动，当信号抖动较严重时，编码器输出的方波信号将出现频繁的变化，由于单片机处理需要一定的时间，该计数装置容易造成计数错误，可能出现多计数或者少计数的情况。采用软件算法或硬件滤波方式虽然可以去除大多数信号抖动产生的影响，但仍不能保证计数完全正确。还有使用滤波方式时转动的频率会受到影响，转动太快则产生有效脉冲信号会和毛刺一起被滤除，导致转动不被响应，并且还不能保证完全消除抖动的影响。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种增量式光电轴角编码器数据处理装置及处理方法，通过对增量式编码器输出的信号进行可靠的计数，再对编码器输出的正弦信号进行细分，从而提高编码器的可靠性。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

增量式光电轴角编码器数据处理装置，该装置包括：放大器、比较器、异或门和单片机：编码器输出两路正交的正余弦波信号SIN和COS；所述COS分为两路，一路直接进入单片机进行模数转换，另一路通过放大器放大和比较器比较转换成方波信号，进入单片机作为计数信号；所述SIN分为两路，一路直接进入单片机进行模数转换，另一路通过放大器放大和比较器比较转换成方波信号，与单片机产生的控制信号一起通过门电路进行异或后进入单片机实现中断功能。

增量式光电轴角编码器数据处理方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：对经过AD转换的两路SIN和COS信号的结果进行计算，得到编码器一个周期的细分值；同时COS通过放大器放大和比较器比较转换成方波信号，进入单片机为低电平时，单片机进入中断状态并计数，单片机输出控制信号取反后进入单片机为高电平，单片机退出中断；

步骤二：单片机将细分值和计数值合并，得到编码器角度值后输出。

本发明的有益效果是：

1、电路设计简单、可靠，所用元器件较少；

2、该电路既可以进行脉冲计数，也可以对增量式编码器精码信号进行细分，提高编码器的分辨力；

3、该电路可以作为增量式编码器的通用数据处理系统。

附图说明

图1本发明增量式光电轴角编码器数据处理装置结构示意图。

图2本发明增量式光电轴角编码器数据处理装置电路设计图。

图3本发明增量式光电轴角编码器数据处理装置主程序方法流程图。

图4本发明增量式光电轴角编码器数据处理装置中断程序方法流程图。

图5本发明的各路信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，增量式光电轴角编码器数据处理装置，包括放大器、比较器、异或门和单片机。编码器输出两路正交的正余弦波信号SIN和COS；所述COS分为两路，一路直接进入单片机进行模数转换，另一路通过放大器放大和比较器比较转换成方波信号，进入单片机作为计数信号；所述SIN分为两路，一路直接进入单片机进行模数转换，另一路通过放大器放大和比较器比较转换成方波信号，与单片机产生的控制信号一起通过门电路进行异或后进入单片机实现中断功能。

如图2所示，从编码器头部输出的两路正交的正余弦信号SIN和COS：SIN信号分为两路，一路信号通过R₉和第一电容6滤波后进入单片机8的1脚进行AD转换，另一路信号经过第一放大器1进行信号跟随后送入第一比较器3的输入引脚1，R₁和R₂产生比较电压后送入第一比较器3的输入引脚2，反馈电阻R₃分别与第一比较器3的2脚和3脚相连，上拉电阻R₄的一端与电源VCC相连，另一端与第一比较器3的3脚以及异或门5的1脚相连，异或门5的输出引脚3与单片机8的中断引脚18相连，异或门5的输入引脚2与单片机8的通用IO引脚19相连；COS信号分为两路，一路通过R₁₀和第二电容7滤波后进入单片机8的2脚进行AD转换，另一路信号经过第二放大器2进行信号跟随后送入第二比较器4的输入引脚6，R₅和R₆产生比较电压后送入第二比较器4的输入引脚7，反馈电阻R₇分别与第二比较器4的7脚和6脚相连，上拉电阻R₈的一端与电源VCC相连，另一端与第二比较器4的5脚以及单片机8的通用引脚22相连。

单片机的处理方法分为主程序和中断脉冲计数程序，中断脉冲计数程序负责对脉冲进行计数，主程序先对SIN和COS信号进行AD转换。根据转换的结果计算得到编码器一个信号周期的细分值X，然后将细分值X和脉冲计数值N进行合并，根据需要将得到的编码器角度值进行输出。主程序工作程序流程图如图3所示，细分值X的计算公式如公式(1)所示。

编码器的两路正余弦波信号SIN和COS通过放大器和比较器后转化为方波信号A和B。在中断计数程序中，只有当B为低电平时单片机8才进行计数，如果单片机8输出至异或门5的控制信号DIR为低电平时，表明方波信号A为下降沿中断，计数器加1；如果单片机8输出至异或门5的控制信号DIR为高电平时，表明方波信号A为上升沿中断，计数器减1。然后将DIR取反后退出中断；如果进入中断时B为高电平信号，则此时将不进行计数，直接将单片机8输出至异或门5的控制信号DIR进行取反后退出中断，中断计数程序流程图如图4所示。采用该种计数方法充分考虑了单片机执行程序需要一定时间的因素，当在某位置方波脉冲A出现频繁变化时，单片机并不需要对每个变化的脉冲计数，只需要按照图4所示的流程图进行加减计数即可，如果信号A一直频繁的变化，则计数器也频繁的加1和减1，并不会多计数或者少计数。当编码器移动到信号A稳定时，则计数脉冲的数值也会稳定且准确，各网络标号处的信号波形图如图5所示。