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1、(10)申请公布号 CN 103309281 A (43)申请公布日 2013.09.18 CN 103309281 A *CN103309281A* (21)申请号 201310245864.5 (22)申请日 2013.06.20 G05B 19/21(2006.01) (71)申请人 西北工业大学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路 127 号 (72)发明人 谷文韬 周少伟 冯新 (74)专利代理机构 西北工业大学专利中心 61204 代理人 陈星 (54) 发明名称 多路增量式编码器信号实时在线融合器 (57) 摘要 本发明提出了一种多路增量式编码器信号实 时在线融合器。包括输。
2、入前置处理单元、 CPLD 单 元、 DSP 单元、 输出接口单元、 时钟生成单元以及 系统电源单元 ； 输入前置处理单元包括光耦隔离 模块、 差分转单端模块和电平匹配模块 ； CPLD 单 元对多路单端信号以此进行鉴相细分、 计数以及 数据锁存 ； DSP 单元包括数据融合处理模块以及 输出接口选择模块 ； 时钟生成单元为 CPLD 单元和 DSP 单元提供时钟信号 ； 系统电源单元为融合器 中各个单元供电。本发明能将同一维度的多路测 量增量式编码器信号融合为一路精确测量信号， 送入机床专用 CNC 设备上。此时， CNC 设备实现对 测量的信息实时在线处理， 并控制相关运动参数， 并提高了。
3、测控系统的工作效率， 以及测量信息与 运动控制的准确度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 9 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图9页 (10)申请公布号 CN 103309281 A CN 103309281 A *CN103309281A* 1/1 页 2 1. 一种多路增量式编码器信号实时在线融合器， 其特征在于 ： 包括输入前置处理单 元、 CPLD 单元、 DSP 单元、 输出接口单元、 时钟生成单元以及系统电源单元 ； 所述输入前置 处理单元包括光耦隔离模块、 差分转单端模块和电平匹配模块。
4、， 光耦隔离模块对输入的多 路增量式编码器信号进行隔离， 差分转单端模块将隔离后的差分信号转换成单端信号， 电 平匹配模块将单端信号匹配成适合于 CPLD 单元的电平信号后输出至 CPLD 单元 ； CPLD 单 元对多路单端信号以此进行鉴相细分、 计数以及数据锁存， 锁存后的数据由 DSP 单元处理 ； DSP 单元包括数据融合处理模块以及输出接口选择模块， 融合处理模块中内置有若干融合 算法， 融合处理模块根据锁存数据选择相应的融合算法对数据进行融合处理 ； 输出接口选 择模块根据融合器与外部连接的输出端口选择接通相应的端口输出电路 ； 时钟生成单元为 CPLD 单元和 DSP 单元提供时。
5、钟信号 ； 系统电源单元为融合器中各个单元供电。 权 利 要 求 书 CN 103309281 A 2 1/4 页 3 多路增量式编码器信号实时在线融合器 技术领域 0001 本发明涉及一种传感器信号处理装置， 具体为一种多路增量式编码器信号实时在 线融合器。 背景技术 0002 随着我国经济的不断发展， 航空、 航天、 造船、 涡轮机、 发电机等领域需要大量大型 复杂高精度零件， 这必然需要相关的大型几何量测量技术作为技术支撑。目前有许多大型 几何量无法应用现有的测量仪器和技术进行测量， 这是由于当工件尺寸超过仪器测量范 围， 或由于通视性限制致使无法测量隐藏点时， 一台仪器往往不能测量全部。
6、工件特征， 因此 在大尺寸测量领域应用多传感器信息融合有着越来越明显的优势。 因为多台仪器组成测量 网融合测量不仅可以扩大测量范围， 更重要的是提高了冗余性、 可靠性和测量精度。 多种传 感器类型信息互补， 优化配置， 使测量任务达到最优化。 国内有人利用激光跟踪仪测距单元 精度高的优点， 研究了多路激光跟踪测量系统。但其费用高、 体积大、 笨重不实用。 0003 不仅如此， 国内外数控机床中专用 CNC 设备对同一维度的多路增量式编码器测量 信号的接入无法提供相应技术支持。 当采用了多个增量式编码器进行某一运动维度进行位 置、 速度等测量后， 不能实时在线处理相关的测量信息， 只能进行事后分。
7、析处理， 这样机床 无法实时获取测量信息， 控制相关运动参数。 0004 针对以上情况有必要设计一种多路增量式编码器信号实时在线融合器。 该融合器 应该具有体积小， 造价低， 精度高， 携带方便和便于安装等特点， 并能应用于大尺寸测量领 域和数控机床中专用的 CNC 设备上。在进行对大型轴的角位移的测量和超长物体线位移的 测量时， 相比于用多个激光跟踪仪连续测角 / 测距要经济适用。 发明内容 0005 要解决的技术问题 0006 为解决现有技术存在的问题， 本发明提出了一种多路增量式编码器信号实时在线 融合器， 以分析处理具有一定失真度、 噪声、 畸变的同一纬度多路增量式编码器信号， 最后 。
8、融合处理出一路准确的运动编码器信号。 0007 技术方案 0008 本发明的技术方案为 ： 0009 所述一种多路增量式编码器信号实时在线融合器， 其特征在于 ： 包括输入前置处 理单元、 CPLD 单元、 DSP 单元、 输出接口单元、 时钟生成单元以及系统电源单元 ； 所述输入前 置处理单元包括光耦隔离模块、 差分转单端模块和电平匹配模块， 光耦隔离模块对输入的 多路增量式编码器信号进行隔离， 差分转单端模块将隔离后的差分信号转换成单端信号， 电平匹配模块将单端信号匹配成适合于 CPLD 单元的电平信号后输出至 CPLD 单元 ； CPLD 单 元对多路单端信号以此进行鉴相细分、 计数以及。
9、数据锁存， 锁存后的数据由 DSP 单元处理 ； DSP 单元包括数据融合处理模块以及输出接口选择模块， 融合处理模块中内置有若干融合 说 明 书 CN 103309281 A 3 2/4 页 4 算法， 融合处理模块根据锁存数据选择相应的融合算法对数据进行融合处理 ； 输出接口选 择模块根据融合器与外部连接的输出端口选择接通相应的端口输出电路 ； 时钟生成单元为 CPLD 单元和 DSP 单元提供时钟信号 ； 系统电源单元为融合器中各个单元供电。 0010 有益效果 0011 本发明的有益效果是 ： 1. 能将同一维度的多路测量增量式编码器信号融合为一 路精确测量信号， 送入机床专用 CNC。
10、 设备上。此时， CNC 设备就像采用传统的编码器一样， 实现对测量的信息实时在线处理， 并控制相关运动参数， 并提高了测控系统的工作效率， 以 及测量信息与运动控制的准确度。 2.在大尺寸零件制造和测量领域可以替代国外超长光栅 尺和大型增量式编码器， 并可规避其技术封锁， 具有很好的技术效益和社会效益。 3.在大型 轴的角位移的测量和超长物体线位移的测量方面， 本发明可以替代国内激光跟踪仪， 节约 成本并提高测量精度。 4.本发明可以填补数控机床中专业CNC设备对同一纬度多路增量式 编码器测量信号接入技术的空白。 附图说明 0012 图 1 是本发明的工程应用示意图。 0013 图 2 是本。
11、发明的功能模块示意图。 0014 图 3 是本发明的数据传输流程图。 0015 图 4 是输入前置处理单元的光耦隔离电路实例图。 0016 图 5 是输入前置处理单元的差分转单端电路实例图。 0017 图 6 是输入前置处理单元的电平匹配电路实例图。 0018 图 7 是 CPLD 单元电路实例图。 0019 图 8 是 DSP 单元电路实例图。 0020 图 9 是输出接口单元的 RS232/RS485 接口电路实例图。 0021 图 10 是输出接口单元的以太网接口电路实例图。 0022 图 11 是时钟生成单元电路实例图。 0023 图 12 是系统电源单元的 3.3V 电源电路实例图。。
12、 0024 图 13 是系统电源单元的 1.2V 电源电路实例图。 具体实施方式 0025 下面结合具体实施例描述本发明 ： 0026 如图 1 所示， 其为本发明的工程应用示意图。其中包括融合器 10、 机床 20、 增量式 编码器 201 以及上位机 202。 0027 在实际工程应用的时候， 多路可能带有噪声干扰或其他原因导致的不太准确的反 映同一纬度位置或速度信息的增量式编码器信号由机床 20 上的增量式编码器 201 输出至 融合器 10， 然后由融合器 10 融合处理后输出一路准确的信号至机床 20 上的上位机 202， 这 样机床 20 可以实时在线对加工零件进行精确加工。 00。
13、28 如图 2 所示， 其为本发明的功能模块示意图。所述的融合器 10 包括输入前置处理 单元 101、 CPLD 单元 102、 DSP 单元 103、 输出接口单元 104、 时钟生成单元 105 以及系统电源 单元 106。 说 明 书 CN 103309281 A 4 3/4 页 5 0029 所述的输入前置处理单元 101 包括光耦隔离模块 1011、 差分转单端模块 1012、 电 平匹配模块 1013 三部分。当多路增量式编码器信号由增量式编码器 201 输入至融合器 10 时， 首先由光耦隔离模块1011对输入信号进行隔离处理， 这样能隔除外界对融合器10系统 的干扰， 保证系。
14、统的稳定安全。其次由差分转单端模块 1012 将输入的差分信号转换成单端 信号。最后由电平匹配模块 1013 将单端信号匹配成适合于 CPLD 单元的电平信号后输入至 CPLD 单元 102。 0030 所述的CPLD单元102对已经过电平匹配的多路单端信号依次进行鉴相细分1021、 计数 1022 以及数据锁存 1023。经过数据锁存 1023 后， 数据将由 DSP 单元 103 读取处理。 0031 所述的 DSP 单元 103 包括数据融合处理模块 1031 以及输出接口选择模块 1032 两 部分。 在数据融合处理模块中， 将公知的若干融合算法程序化， 然后由计算机将编译好的程 序从。
15、相应的程序下载端口下装到 DSP 芯片的数据融合处理模块中， 融合处理模块根据锁存 数据选择相应的融合算法对数据进行融合处理。 本实施例中给出两种常见的情况及其对应 的融合算法， 第一种情况， 当不知道编码器测量数据的任何先验知识， 需要依据估计的各编 码器的方差变化及时调整参与融合器的各编码器的权系数， 使融合系统的均方误差始终最 小， 可选择多编码器 （传感器） 数据自适应加权融合估计算法 ； 第二种情况， 当需要检测异常 编码器数据以及在对各编码器数据求取均方值的基础上设置自适应阈值， 可选择基于线性 约束截断最小二乘和递归神经网络的数据融合算法。 0032 在实现数据融合处理后， 根据。
16、上位机 202 对输出接口的选择， 输出接口选择模块 根据融合器与外部连接的输出端口选择接通相应的端口输出电路。本实施例中， 当一端 与上位机 202 连接的外部线缆， 该外部线缆的另一端连接融合器 10 的 RS232/RS485 接口 1041， 则相关的 RS232/RS485 接口 1041 电路开始工作， 以太网接口 1042 电路不工作， DSP 单元 103 内部的输出接口选择模块 1032 的程序被激活， 融合处理后的数据则选择 RS232/ RS485接口1041输出 ； 同理， 当该外部线缆的另一端连接的是以太网接口1042， 融合处理后 的数据则选择以太网接口 1042 。
17、输出。即为了满足用户的不同需求， 增强融合器使用的通用 性， 可将融合后的信号选择由 1 路 RS232/RS485 接口 1041 输出， 此处可由硬件跳线选择是 RS232 协议或者是 RS485 协议 ； 也可选择由 1 路以太网接口 1042 输出。最终通过其中一路 输出接口输出一路融合后的准确信号至上位机 202。 0033 所述的时钟生成单元 105 将为 CPLD 单元 102 和 DSP 单元 103 提供时钟信号， 其他 外围电路所需时钟由 CPLD 单元 102 或者 DSP 单元 103 提供。 0034 所述的系统电源单元 106 由外部电源适配器提供电源， 然后将提供。
18、的电源转换为 相应的适合电源提供给 CPLD 单元 102、 DSP 单元 103 以及其他单元。 0035 参照图 3 所示， 其为本发明的数据传输流程图。系统上电开始， 首先分别对端口和 通信数据区进行初始化 （步骤 301、 302） ； 接着判断所需要进行通信的端口 （步骤 303） ； 如果 是以太网接口 （304 步骤） 则接收上位机的握手信号 （步骤 306） ， 否则返回步骤 303， 继续判 断是 RS232/RS485 接口 （步骤 305） ， 接收上位机的握手信号 （步骤 306） ， 否则返回步骤 303， 继续判断接口 ； 当步骤 304 或者步骤 305 成功执行。
19、进入下一步， 则系统接收上位机的握手 信号 （步骤 306） ； 接着判断是否收到握手信号 （步骤 307） ， 如果没有收到握手信号则返回步 骤 306 继续等待上位机的握手信号， 如果已接收到上位机的握手信号， 则开始通过 RS232/ RS485 接口或者以太网接口向上位机发送系统融合处理后的一路准确数据 （步骤 308） 。最 说 明 书 CN 103309281 A 5 4/4 页 6 后判断数据发送是否完毕 （步骤 309） ， 如果数据没有发送完毕则返回步骤 308 继续发送数 据直到确认发送数据完毕， 这样整个数据传输过程结束。 0036 参照图 4 所示， 其为输入前置处理单。
20、元的光耦隔离电路实例图 ； 参照图 5 所示， 其 为输入前置处理单元的差分转单端电路实例图 ； 参照图 6 所示， 其为输入前置处理单元的 电平匹配电路实例图 ； 参照图 7 所示， 其为 CPLD 单元电路实例图 ； 参照图 8 所示， 其为 DSP 单元电路实例图 ； 参照图 9 所示， 其为输出接口单元的 RS232/RS485 接口电路实例图 ； 参照 图 10 所示， 其为输出接口单元的以太网接口电路实例图 ； 参照图 11 所示， 其为时钟生成单 元电路实例图 ； 参照图 12 所示， 其为系统电源单元的 3.3V 电源电路实例图 ； 参照图 13 所 示， 其为系统电源单元的 。
21、1.2V 电源电路实例图。 说 明 书 CN 103309281 A 6 1/9 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103309281 A 7 2/9 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103309281 A 8 3/9 页 9 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103309281 A 9 4/9 页 10 图 6 说 明 书 附 图 CN 103309281 A 10 5/9 页 11 图 7 说 明 书 附 图 CN 103309281 A 11 6/9 页 12 图 8 说 明 书 附 图 CN 103309281 A 12 7/9 页 13 图 9 说 明 书 附 图 CN 103309281 A 13 8/9 页 14 图 10 说 明 书 附 图 CN 103309281 A 14 9/9 页 15 图 11 图 12 图 13 说 明 书 附 图 CN 103309281 A 15 。