CN103148876A - 单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法和解码方法 - Google Patents

Abstract

一种单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法和解码方法。所述虚拟增量式码道是利用从绝对式码道接收到的信号生成的一串脉冲组成的信号，所述一串脉冲中的每个脉冲是读数头经过一个栅距时所产生的，其宽度与光栅尺的栅距相对应。本发明基于虚拟增量式码道的解码方法大大降低了由于光栅尺刻线受污染而产生的读数错误的概率，并且可实现细分处理。

Description

单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法和解码方法

技术领域

本发明属于光学计量领域，涉及一种单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法和解码方法。 

背景技术

单码道绝对式线位移光栅尺是一种属于国际先进水平的光栅尺，用于高档精密机床。在国际上仅有德国、美国、日本等少数国家掌握该技术。由于技术保密原因，国内尚无同类产品，仍处于研发阶段。 

目前单码道绝对式线位移光栅尺的读数基于绝对码道的视频信号。这种方法存在两个基本问题：一是不能做细分处理，影响光栅尺的精度；二是抗干扰能力较差。换言之，光栅尺必须具有高质量的绝对式码道，否则容易产生读数错误。 

解决上述问题的基本方法是在绝对式线位移光栅尺上加刻一条物理增量式码道，使光栅尺成为双码道绝对式线位移光栅尺。但两条物理码道必须对准，这对加工工艺具有很高的要求，增加了光栅尺的制造成本。 

虚拟增量式码道技术为解决单码道绝对式线位移光栅尺读数问题提供了另一种途径。它与增加物理增量式码道技术的不同之处在 于：它通过信号处理方法合成一条虚拟的增量式码道，用于代替物理增量式码道。目前尚无虚拟增量式码道技术的报道。 

发明内容

针对上述绝对式线位移光栅尺的技术问题，本发明提出了一种单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法和解码方法，通过信号处理方法合成一条虚拟的增量式码道，用于代替物理增量式码道，该方法大大降低了读数错误。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种单码道绝对式线位移光栅尺的虚拟增量式码道的构造方法，所述虚拟增量式码道为从绝对式码道接收到绝对位置信号后用该信号生成一串脉冲而组成的信号，所述一串脉冲中的每个脉冲是读数头经过一个栅距时所产生的，其宽度与光栅尺的一个栅距相对应；将线型CCD像素分为两大组，每个大组分为L个小组，每个小组的线视场为光栅尺的二分之一栅距，两个大组中的2L个小组交替设置；当读数头在绝对式码道上运行时，每经过一个栅距，所述像素小组中至少有两个小组各自经过光栅尺上的一条刻线从而产生一个脉冲，将这些脉冲取平均值后即得虚拟增量式码道的输出。 

作为本发明的优选实施例，当读数头移动时，每个小组的输出电平为I_nk(t)，其中，n=1,2，k=1,2,...,L，当I_nk对应字符“0”时，输出低电平，当I_nk对应刻线时，输出高电平，所述虚拟增量式码道输出的信号为： 

${\stackrel{\‾}{I}}_1\left(t\right)=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^L(I_{1k}\left(t\right)-I_0),{\stackrel{\‾}{I}}_2\left(t\right)=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^L(I_{2k}\left(t\right)-I_0),$

其中，

相差半个栅距，分别为两个大组的输出，I₀为CCD一个小组像素通过字符“0”时的输出电平，N为CCD视场内刻线的个数。 

一种单码道绝对式线位移光栅尺的虚拟增量式码道的解码方法，首先确定上电时读数头的起始位置，然后，检测虚拟增量式码道的极大值点和细分点，如果检测到的是极大值点，根据读数头右移或左移给前一个解码值加1或减1，作为新的解码值；如果检测到的是细分点，给当前解码值加或减细分值，作为新的解码值，最后输出解码值，其中所述细分点包括二分点和四分点，二分点指一个栅距的中点，四分点指一个栅距四等分的点，所述细分值指当前细分点和与其相邻的前一个虚拟增量式码道极大值点之间的距离。 

作为本发明的优选实施例，用虚拟增量式码道输出信号脉冲的极小值点检测二分点，用

的过零点检测四分点，过零点指信号脉冲与横坐标相交的点。 

作为本发明的优选实施例，所述上电时读数头起始位置按照以下方法确定： 

（5.1）令读数头从当前位置开始向前或向后移动，检测信号

或 

的极大值点，如果检测到极大值点，则转入步骤（5.2）； 

（5.2）当读数头经过一个栅距时，对两端I₁₁和I_2L输出电平做二值化处理，结果0或1作为读取的字符分别计入字符数组A和B； 

（5.3）当数组A和B的长度与绝对编码的字符串码字长度相同时，读数头停止运动，对A和B进行绝对解码； 

（5.4）若A和B的绝对解码值相差给定长度，转到（5.5）；否则转到（5.1）重复上述步骤，直至A和B的绝对解码值相差给定长 度为止； 

（5.5）细分处理，将t=0到

的第一个极大值点的虚拟码道波形作细分处理，由A或B得到的绝对解码值加或减细分值作为读数头起始位置值输出。 

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：本发明虚拟增量式码道是利用从单码道绝对式线位移光栅尺的绝对式码道上获取的信息，通过信号处理方法产生的一串脉冲组成的信号，每个脉冲是读数头经过一个栅距时所产生的，它的宽度与光栅尺的栅距对应，所以可实现细分处理，同时，本发明虚拟增量式码道是多个脉冲的平均，因而大大降低了由于个别刻线受到污染而产生的读数错误的概率。 

附图说明

图1是本发明线型CCD（或CMOS）像素分组与虚拟增量式码道构造示意图，其中，其中CCD中的小方格表示一组像素，光栅尺上的黑色长方形表示一条刻线。 

具体实施方式

虚拟增量式码道是利用从单码道绝对式线位移光栅尺的绝对式码道上获取的信息，通过信号处理方法产生的一串脉冲组成的信号。它主要用于单码道绝对式线位移光栅尺的设计制造，用以代替物理增量式码道，实现单码道绝对式线位移光栅尺的细分处理，同时提供一种新的读数与解码方法，克服光栅尺读数容易出错的不足，提高了可靠性。 

目前，单码道绝对式线位移光栅尺的读数基于CCD（或CMOS） 输出的视频信号，通过二值化处理获取绝对式编码。由于处理的信号是二值数字信号，因而无法细分。此外，视频信号易受噪声、光栅尺制造工艺的影响。对于精度达微米级的高精度线位移光栅尺来说，常常出现读数错误。而虚拟增量式码道是脉冲组成的信号（模拟或多比特量化的信号），每个脉冲是读数头经过一个栅距时所产生的，它的宽度与光栅尺的栅距对应，所以可实现细分处理。而且每个脉冲是从绝对式码道检测到的多个脉冲的平均，理论上这种平均就是均值滤波，它使脉冲趋于期望的波形，可减小噪声以及个别刻线受污染的干扰。因此，相比CCD（或CMOS）输出的视频信号而言，基于虚拟增量式码道的读数方法具有更高的抗噪能力。 

目前，人们解决单码道绝对式线位移光栅尺细分问题的方法是在光栅尺上增加一条物理增量式码道。比较而言，使用虚拟增量式码道技术的绝对式线位移光栅尺只需要一条物理绝对式码道，取消了物理增量式码道，因而降低了光栅尺的生产成本。 

下面结合附图对本发明方法做进一步详细阐述： 

1、虚拟增量式码道构造方法 

将线型CCD（或CMOS）的像素分为两大组，每个组又分为L个小组，每小组的线视场（即可视范围）为一个栅距的1/2，如图1所示。假设每一小组像素在运动中输出电平为I_nk(t)，n=1,2，k=1,2,...,L，并且当I_nk对应字符‘0’时输出低电平I₀；对应刻线，即经过字符‘1’时输出较高电平。 

再假定CCD视场内有N个字符‘1’。在绝对编码满足均匀性条件 时，N>1，但在光栅尺的不同位置N可能不同。于是定义信号 

${\stackrel{\‾}{I}}_1\left(t\right)=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^L(I_{1k}\left(t\right)-I_0),{\stackrel{\‾}{I}}_2\left(t\right)=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^L(I_{2k}\left(t\right)-I_0),$

下面我们说明

分别是由一串脉冲组成的信号，每个脉冲对应一个栅距，起到与物理增量式码道同样的作用。因此称

（或 

为单码道绝对式光栅尺的虚拟增量式码道。

相差半个栅距，因而它们相差半个波形。平移之后，两个脉冲串重合。以下以

为例说明。 

是以时间为变量的函数，是模拟信号。如果在模数转换之后输出I_1k(t)，那么I_1k(t)被量化；否则不被量化。这里，并不需要对信号进行量化处理。 

2、虚拟增量式码道性质分析 

（1）虚拟增量式码道由脉冲串组成。当读数头在绝对式码道上运行时，若I_nk(t)经过字符‘1’（即刻线），则输出较高电平；若经过字符0’（无刻线）则输出较低电平。典型的情况，两个电平相差接近1V。因此I_nk(t)在经过字符‘1’时形成一个脉冲。由于CCD（或CMOS）视场内有多个‘1’（由编码的均匀性保证），因而当CCD运动经过一个栅距时，有多个I_1k(t)输出脉冲，这些脉冲的平均便形成了

的一个脉冲。换言之，当CCD运动时，

由一个一个的脉冲组成，脉冲的宽度为CCD经过一个栅距的时间，与栅距对应。当CCD运动速度较快时，宽度变窄；当CCD运动速度较慢时，脉冲宽度变宽。 

（2）虚拟增量式码道输出的脉冲波形与读数头位置相对应，因此通过检测脉冲波形可实现细分处理。例如两个波峰（极大值点）之 间的波谷（极小值点）对应栅距的二分点，拐点对应四分点。这种细分处理也可以通过与

的关系来完成。因为

的极大（小）值点与

的极小（大）值点对应，即

的极大值点为二分点；

与

的相交点为四分点，因此可通过

的过零点检测四分点。 

（3）每个波形是稳定的，即为数学上的期望波形，具有较强的抗干扰能力。这是因为

的每个波形是多个波形的平均，即对多个刻线进行检测的平均结果。检测次数取决于编码的均匀性。波形的平均起去噪作用，同时对不规则波形可做修正。 

事实上，我们获取的信号是 

${\tilde{I}}_{\mathrm{nk}}\left(t\right)=I_{\mathrm{nk}}\left(t\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{nk}}\left(t\right),$ n=1,2，k=1,2,...，L 

其中ε_nk是均值为零的Gaussian噪声。通过叠加平均后，得到 

${\tilde{I}}_n\left(t\right)=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^L(I_{\mathrm{nk}}\left(t\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{nk}}\left(t\right)-I_0)=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^L(I_{\mathrm{nk}}\left(t\right)-I_0)+\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^L{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{nk}}\left(t\right)$

注意到 

$\frac{1}{N}\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{nk}}\left(t\right)\→0$ 当N→∞ 

所以，当N较大时，噪声对虚拟增量式码道的干扰很小。而且 

I_nk(t)趋于波形的期望值，这说明当个别刻线受到污染时，虚拟增量式码道受到的影响较小。 

在数学上，每个I_nk(t)输出的脉冲代表一个样本，因此要求绝对编码具有一定的均匀性，并且CCD视场内字符‘1’的个数应不小于15。 

综合上述分析，我们得如下基本结论：当绝对式编码均匀时，虚拟增量码道输出的脉冲波形具有较好的稳定性和抗噪能力。 

3、基于虚拟增量式码道的读数与解码方法 

（1）细分处理 

Step1、对

与

进行滤波，做进一步磨光处理； 

Step2、用一阶导数检测

与

的极值点，并检测

的过零点。

的相邻两个极大值点对应一个栅距；

的极小值点或

的极大值点作为二分点；

的过零点作为四分点。 

（2）读数头上电时起始位置确定 

Step1、令读数头从当前位置开始向左或向右移动，通过检测信号

的极大值点，判断读数头是否经过一个栅距； 

Step2、当读数头经过一个栅距时，对两端输出电平I₁₁(t)和I_1L(t)做二值化处理，结果0或1作为读取的字符分别计入字符数组A和B； 

Step3、当数组A和B的长度与字符串（绝对式编码码字）长度相同时，读数头停止运动，对A和B进行绝对式解码； 

Step4、若A和B的绝对式解码值相差给定长度（I₁₁(t)和I_1L(t)相差的栅距数），转到Step5；否则转到Step1，直至A和B的绝对解码值相差给定长度为止； 

Step5、细分处理。将t=0到第一个极大值点的

波形作细分处理，确定细分值。由A或B确定的绝对式解码值加（或减）细分值作为读数头起始位置的解码值输出。 

（3）读数头运动中解码方法 

Step1、确定读数头起始位置； 

Step2、检测虚拟增量式码道的极大值点和细分点，若检测到 

的极大值点，则根据读数头右移或左移给前一个解码值加1或减1，作为新的解码值；若检测到细分点，则给当前解码值加或减细分值，作为新的解码值，所述极大值点指虚拟增量式码道的信号脉冲的极大值点，细分点包括二分点和四分点。 

Step3、输出解码值。 

Claims (5)

1.一种单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法，其特征在于：所述虚拟增量式码道为从绝对式码道接收到绝对位置信号后用该信号生成一串脉冲而组成的信号，所述一串脉冲中的每个脉冲是读数头经过一个栅距时所产生的，其宽度与光栅尺的一个栅距相对应；将线型CCD像素分为两大组，每个大组分为L个小组，每个小组的线视场为光栅尺的二分之一栅距，两个大组中的2L个小组交替设置；当读数头在绝对式码道上运行时，每经过一个栅距，所述像素小组中至少有两个小组各自经过光栅尺上的一条刻线从而产生一个脉冲，将这些脉冲取平均值后即得虚拟增量式码道的输出。

2.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于：当读数头移动时，每个小组的输出电平为I_nk(t)，其中，n=1,2，k=1,2,...,L，当I_nk对应字符“0”时，输出低电平，当I_nk对应刻线时，输出高电平，所述虚拟增量式码道输出的信号为：

${\stackrel{\‾}{I}}_1\left(t\right)=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^L(I_{1k}\left(t\right)-I_0),{\stackrel{\‾}{I}}_2\left(t\right)=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^L(I_{2k}\left(t\right)-I_0),$

其中，

相差半个栅距，分别为两个大组的输出，I₀为CCD一个小组像素通过字符“0”时的输出电平，N为CCD视场内刻线的个数。

3.一种基于权利要求1所述的单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道的解码方法，其特征在于，首先确定上电时读数头的起始位置，然后，检测虚拟增量式码道的极大值点和细分点，如果检测到的是极大值点，根据读数头右移或左移给前一个解码值加1或减1，作为新的解码值；如果检测到的是细分点，给当前解码值加或减细分值，作为新的解码值，最后输出解码值，其中所述细分点包括二分点和四分点，二分点指一个栅距的中点，四分点指一个栅距四等分的点，所述细分值指当前细分点和与其相邻的前一个虚拟增量式码道极大值点之间的距离。

4.如权利要求3所述的解码方法，其特征在于，用虚拟增量式码道输出信号脉冲的极小值点检测二分点，用的过零点检测四分点，过零点指信号脉冲与横坐标相交的点。

5.如权利要求3所述的解码方法，其特征在于：上电时读数头起始位置按照以下方法确定：

（5.1）令读数头从当前位置开始向前或向后移动，检测信号

或

的极大值点，如果检测到极大值点，则转入步骤（5.2）；

（5.2）当读数头经过一个栅距时，对两端I₁₁和I_2L输出电平做二值化处理，结果0或1作为读取的字符分别计入字符数组A和B；

（5.3）当数组A和B的长度与绝对编码的码字长度相同时，读数头停止运动，对A和B进行绝对解码；

（5.4）若A和B的绝对解码值相差给定长度，转到（5.5）；否则转到（5.1）重复上述步骤，直至A和B的绝对解码值相差给定长度为止；

（5.5）细分处理，将t=0到

的第一个极大值点的虚拟码道波形作细分处理，由A或B得到的绝对解码值加或减细分值作为读数头起始位置值输出。

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