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浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 摘要 光电轴角编码器是一种将角位置、角位移及角速度等物理量转换成电信号的精密位移 传感器，广泛的应用于精密测量、自动控制等诸多领域。传统的编码器主要采用光度式测 量，在码盘尺寸一定的情况下，分辨率越高，要求一个圆周内的刻线数越多，那么刻线宽 度就会越细，过细的刻线一方面会造成透光量不足以致不能区分透光不透光区域，另一 方面也容易形成衍射现象导致信号串扰，这样就会影响编码器的正常工作。 为了解决码盘尺寸和分辨率之间的矛盾，本论文提出了一种基于面阵探测器的绝对式 轴角编码的检测技术。该技术能够在不改变码盘现有编码方式的基础上提高编码器的分辨 率，并且有利于码盘的安装和调节。被l e d 照明的码盘经过成像物镜放大，放大后的码 盘图像被面阵光电探测器接收，然后沿码盘的径向读取粗码，再利用探测器像素的空间均 匀性沿码盘的切向对码盘的最小单元进行细分，最终得到由粗码和精码共同构成的角度信 自 、 一。 角度译码过程由f p g a 为核心的处理电路完成，通过s c c b 模块对面阵探测器进行配 置之后，面阵探测器接收到的码盘图像经过二值化模块、粗码计算模块、细分计算模块处 理之后，最终通过串口模块输出，从而实现了角度信息的实时处理。 在系统搭建完毕之后，对于系统的工作条件、粗码的线性度进行了分析，在对工作条 件进行分析时，主要研究了离焦度和光照度对测量情况的影响。为了对测量精度进行测量， 引入了激光三角法对系统的测量结果进行分析。在实验中，系统粗码输出的绝对误差为 0 0 2 7 0 。，细分之后的绝对误差为0 0 0 3 1 。通过实验验证，该方案可以在原有编码器基 础上将角分辨率由1 3 位提高到1 6 位。 关键词：绝对式轴角编码器；成像式；细分；f p g a 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 a b s t r a c t p h o t o e l e c t r i cr o t a r ya n g u l a re n c o d e ri sap r e c i s ed i s p l a c e m e n ts e n s o r , c o n v e r t i n gt h e a n g u l a rp o s i t i o no ra n g u l a rd i s p l a c e m e n tt ot h ee l e c t r i cs i g n a l s ，w h i c ha r ew i d e l yu s e di np r e c i s e m e a s u r e m e n t ，a u t o m a t i cc o n t r o la n ds oo n t h ec o n v e n t i o n a la b s o l u t ee n c o d e ri sb a s e do nt h e b i n a r i z e de n c o d e dd i s c ，w h i c hi st oo b t a i nt h ea n g u l a ri n f o r m a t i o nf r o mt h es i t u a t i o n so fl i g h t t r a n s m i s s i o na l o n gt h er a d i a ld i r e c t i o no fd i s c s oi ft h ed i s cs i z ei sf i x e d ，h i g h e rt h er e s o l u t i o n i s ，m o r et h er e t i c l e si no n ec i r c u m f e r e n c ea r ea n dt h i n n e rt h er e t i c l e sb e c o m e ，w h i c hm a yc a u s e t h ei n s u f f i c i e n c yo fi l l u m i n a n c ea n dl i g h td i f f r a c t i o n t h e nt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c ys h o u l db e d e c r e a s e d ，w h i c hm a yi n f l u e n c ei t sn o r m a l l yo p e r a t i o n t os o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h es i z ea n dr e s o l u t i o n ，an e ws u b d i v i s i o nt e c h n i q u e b a s e do na r r a yd e t e c t o ri sp r o p o s e df o ra b s o l u t ea n g u l a re n c o d e rw i t hab i n a r yc o d e dd i s ci nt h e p r e s e n ts t u d y t h ep r o p o s e dt e c h n i q u e c a nw e l li m p r o v et h ea n g u l a rr e s o l u t i o nw i t h o u tc h a n g i n g t h ec o d e dd i s ca n di sc o n v e n i e n tf o ri n s t a l l i n ga n da d j u s t i n g t h ec o d e dd i s ki sf i r s t l yl i g h t e db y l e da n dt h e nm a g n i f i e db yt h ei m a g el e n s t h em a g n i f i e di m a g eo fc o d e dd i s ci sf i r s t l y r e c e i v e db yt h ed e t e c t o r t h e nt h eb i n a r yc o d ei so b t a i n e da n dt h em i n i m u mc o d eu n i ti s s u b d i v i d e db yt h ed e t e c t o r sp i x e l s ，r e s p e c t i v e l y , w h i c ha r eb o t hc o n t r i b u t e dt ot h ea n g u l a r p o s i t i o n t h ed e c o d i n gp r o c e s sw a sc o m p l e t e db yt h ec i r c u i tb a s e do nf p g a ，t h ei m a g eo ft h ed i s k w a sp r o c e s s e db ys e v e r a lm o d u l e sa n df m a l l yo u t p u tt h r o u g hu a r tm o d u l e ，t h u sa c h i e v e s r e a l t i m ep r o c e s s i n g w h e nt h es y s t e mh a sb e e nb u i l t ，w o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h el i n e a r i t yw e r ea n a l y z e d d u r i n g t h ea n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c eo ft h ef o c u s i n ga n di l l u m i n a t i o nw e r em a i n l ys t u d i e d a n o t h e r m e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e di n t ot h es y s t e ma n dt h em e a s u r e dr e s u l t sw e r e c o m p a r e d t h ea n g e lr e s o l u t i o nc a nb ei m p r o v e df r o m13b i tt o 16b i ti nt h ee x p e r i m e n t ，t h e a b s o l u t ee r r o ro ft h er a wc o d ea n dt h es u b d i v i s i o nc o d ea r e0 0 2 7 0 0a n d0 0 0 3lo k e yw o r d s ：a b s o l u t ea n g u l a re n e o d e r ；i m a g i n gt y p e ；s u b d i v i s i o n ；f p g a 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：上乒、渗 签字日期：洲。年；月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：上其夥 签字日期：御。年；月伊日 i v 导师鲐1 陟叩 签字日期：。卅。年j 月， 日 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 致谢 两年多的研究生生活马上就要过去了，这两年多来在工程中心的学习和科研工作中， 我在各个方面都得到了各位老师、同学的热心帮助和支持，使我成长了很多，在此，我对 他们表示诚挚的感谢。 本文是在倪旭翔副教授和袁波副研究员的悉心指导下完成的。从课题确立、开展，论 文的开题到最终完成，都得到了两位老师的悉心教导，他们严谨的治学态度、广博的学识、 不断创新的精神都让我十分敬佩，给我树立了榜样。整个课题期间，他们给我提供了完善 的学习和科研条件，可以说我的每一点进步，都和他们的辛勤工作密切相关，此外，我还 要感谢工程中心的严惠民、林斌、王立强老师，他们也给我提供了很多帮助。 感谢曹向群老师，在工程中心学习的这段时间，一直得到曹老师的热心指点和帮助， 曹老师认真负责，待人和蔼，对我们严格要求，使我们圆满的完成了学习任务，在此对曹 老师表示衷心的感谢。 我还要特别感谢解放军南京3 3 0 4 厂的钟旭总工程师、管俊晨工程师，他们为我提供 了光电编码器系统，从而为我们的科研工作提供了关键的设备。 感谢谈颖皓同学在实验过程中对我的帮助，感谢李晖、黄恩立、姚金良、马俊、上官 王聘、杨超、叶斌等硕士，感谢张秀达博士后，徐进、陈浙泊、孙鸣捷、姜雁冰博士，与 他们在平时在学习和生活中的融洽相处，是我硕士研究生阶段的美好回忆。 感谢我的父母多年来对我的悉心教导和培养。 学生时代马上就要过去了，在即将离开校园，迈入工作岗位之际，再一次对帮助过和 关心过我的老师、同学、家人表示衷心感谢。 王英男 2 0 1 0 1 6 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 1 1 光电轴角编码器概述 第1 章绪论 光电轴角编码器是一种将角位置、角位移及角速度等物理量转换成电信号的精密传感 器 1 1 。 光电轴角编码器的工作部件一般可以分为光信号采集和数据处理两个部分2 1 ，信号采 集部分主要由光源、计量光栅、主轴、光电接收器构成。它依靠计量光栅作为检测工具， 通过光电转换，把位移或者角度信息转换成相应的模拟或者数字信号，从而达到精确测量 的目的。由于它的结构简单、体积小、重量轻，分辨率高，因此在雷达、指挥仪、经纬仪、 自动测量、遥感等领域应用十分广泛。 目前世界上主要生产轴角编码器的公司有很多，主要有德国的海德汉( h e i d e n h a i n ) 、 库伯勒( k u e b l e r ) 等公司，日本多摩) 1 1 ( t a m a g a w a ) 、内密控( n e m i c o n ) 、光洋( k o y o ) 等公司， 美国的丹纳赫( d a n a h e r ) 、r e n c o 公司，瑞士的b a u m e r 等。轴角编码器的主要典型的应用 诸如：意大利国家伽利略望远镜( t n g ) 采用的就是海德汉公司的编码器，该编码器的最终 角度分辨率是2 7 位，最小可分辨角度0 0 0 9 6 5 ”，读出数据时间小于0 5 毫秒 3 删；美国n a s a 研制的为了测量c a r t e s i a n 坐标的超高精度编码器，它采用了一种全新的编码方式，采用 图像识别的方法，最小分辨角为3 1 0 6 度( 5 【6 1 。 在轴角编码器研制方面，我国大概起步于上个世纪六十年代，中科院长春光机所在 1 9 6 4 年制造了第一块光学码盘，并且在光电经纬仪上得到了应用。在此之后，许多院校 和科研院所都做了相关的研究，并且取得了许多不错的成绩。这其中的主要的成果有：长 春光机所在八十年代末期研制出了2 3 位的绝对式编码器；中科院光电技术所研制出了2 5 位的编码器，该编码器是采用特殊的编码技术和多读数头模拟量相加的办法，利用单片机 通过软件高倍电插补细分实现的【7 1 。目前国内很多公司诸如长春禹衡、宁波永佳、天津宜 创、广东升威等都在进行编码器的生产，总体来说国内的编码器和国外的相比差距主要是 编码器的种类比较单一，并且在高分辨率领域也有较大差距。因此，研制开发新型的编码 器具有重要的意义。 精大学硬学位论文 光电轴自犏日墨自舟技术的研究 1 1 1 光电轴角编码器的分类 光电轴角编码器按照编码方式可以分为增量武和绝对式两种【8 】，增量式编码器如图1 - 1 所示，它的编码特点是计量光栅刻线间距是相等的，每一个刻线区问可以输出一个脉冲， 光电检测系统的计数器可以根据零位也就是基准位置进行相应的计数，从而输出角度信 息。它的零点是可以任意选择的，但是随之带来的缺点是断电之后需要重新标定，而且有 积累误差 豢豢 匿卜i 增量式编码器码盘囤l - 2 绝对式编码器码盘 绝对式编码器如图1 - 2 所示，这是一种以二进制代码为基础进行编码的码盘，用透光 和不适光这两种状态来表示二进制代码中的0 和1 ，最初的码盘是采用自然二进制码，现 在通常采用格雷码编码，格雷码的优点是：当代码从任意数变到相邻数的时候，码道中仅 有一个码道发生变化，因此无论是进位或者退位，只有一个二进制的数字产生改变，系统 的误差也不会超过读数的最低位的单位量。绝对式编码器的特点是角度和码盘位置是一一 对应的，由于具有固定的零位，是对角度绝对位置进行测量，相对于增量式编码器具有抗 干扰能力强、无积累误差等优点。 l 12 光电轴角编码器的发展方向 随着科学技术的发展，对编码器的技术参数要求越来越高，在编码方式和测量方式上 出现了很多新型的编码器。 准绝对式编码墨 】，这种编码器是一种绝对式和增量式的结合体，设计者的目的是 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 为了保留绝对式编码器测量数据为角度绝对值的优点，同时消除增量式容易错误计数和累 积误差的不足。它主要是由循环码道和索引码道共同构成，其中循环码道和传统的增量式 码道基本一致，而索引码道和绝对式码道又十分相似，是由一系列类似与条形码的二进制 编码构成。索引码道用沿着码盘切向的序列表示角度的绝对位置。它在一定程度上减少了 编码器的尺寸，但是由于需要很多的探测器，增加了编码器装配的难度。 单圈绝对式轴角编码器【1 1 】，设计者的目的是把传统的通过码盘径向获取角度信息的方 式转换成沿切向获取角度信息，因此在编码过程中也把径向的编码改为纵向编码放置到一 个码道之中，角度和切向的位置也是对应的关系，即单圈绝对式编码器。这在一定程度上 减小了码盘的尺寸，但是如果需要更高的分辨率，需要在单圈内增加更多的刻线，从而给 测量带来困难。 双码盘绝对式轴角编码器【1 2 】，它的特点是把两个以上的单码盘编码器用齿轮等变速工 具连接起来，每个码盘的编码方式和传统的绝对式编码器一致，在测量过程中，不同的码 盘转的速率不同，因此通过编码器级联的方式提高了编码器的分辨率，该编码的优点是不 需要提高单个码盘的刻画圈数来提高整个系统的分辨率，是从测量方式上的一种改进，缺 点是多个码盘从而会带来更多的误差，对装配的要求也比较高。 矩阵码编码器【1 3 】【1 4 】f 15 1 ，它的特点是在整个圆周范围内分为若干区间，不同的区间内 刻有不同数量的码道，检测时可以利用若干个探测器检测出按照矩阵编码编排的信号，它 与传统的绝对式编码器的不同处在于它的一圈可输出若干位，从而在一定程度上减少了码 道的数量，缩小了结构尺寸。但是矩阵码的译码工作较之传统的编码器复杂，并且由于它 的单圈集成了许多个码道的特点，在码盘装配中的对读数的影响也要比传统的编码器大。 目前在技术上已经做了许多改进，所以矩阵式编码在现有的绝对式编码器中占有一定的比 重。 m 系列编码器 1 6 】【17 1 ，m 编码，即m a x i m u ml e n g t hs e q u e n c e ，最大长度序列，它是由 日本的今井基胜提出的，m 编码的编码方式是在单圈上编排2 n 个0 和1 的不同组合，这 样设计的目的是缩小码盘体积，由于它和传统的二进制类似，即读出的数据会有可能两位 以上同时发生变化，会产生很大的误差，因此设计了一个辅助码道，因此并没有整体上简 化传统的编码结构。 多圈式m 码绝对式编码器【1 8 】【1 9 】，这是由日本富士公司设计的一种新型编码器，这种 前 学学位论文光自轴自籀目 自舟技术的研宽 编码是在m 系列编码的基础上进行的改进，所谓多圈式是在传统的m 编码基础上在内圈 增加了类似增量式的细分码道，细分码道结构为宽度一致的刻线，从而达到细分的目的。 绝对码简码编码器唧】，绝对码简码也是在m 编码上衍生出来的一种编码，它也是一 种单码道编码，编码原理是利用数理统计的办法，将任意精度的2 “个数据压缩于单码道 之中，它使用基码编码，基码包括滚动码和质码，这种方法能够在一定程度上缩小码盘的 体积，但是由于检测时需要狭缝配合，而且捷缝数和探测器的数目和简码数相关，因此该 方法不太适合高位数的编码器。 成像式编码器，由于半导体技术的不断发展，面阵探利器( c c d 、c m o s ) 等技术日趋 成熟，小体积高速度的阵列式传感器的出现，为编码器的发展提供了方向，面阵传感器 具有小型化，低成本、集成度高的特点。因此面阵探测器也被引入到轴角编码器系统中。 比如滨松( h 锄锄出u ) 公司于2 0 0 8 年设计了一款成像式绝对轴角编码器川，如囤1 - 3 所示， 在重新设计码盘的基础上，用面阵c m o s 传感器接收码盘图像，该编码嚣使用了滨松公 司生产的s 9 1 3 2 传感器，这敖传感器在数据输出方式上经过特殊设计，分辨率为2 5 6x2 5 6 ， 象元尺寸78 p a n ，最大帧数3 2 0 0 帧，秒，通过像素行方向进行角度定位和像素列方向进行 细分，最终角度分辨率为1 4 位，最小分辨角度为o0 2 2 。 ( a )( b ) 删卜3h a m a m a t s u 使埘的面阵探测器( a ) 和设计的编码器( b ) 图l 一4 所示的是美国n a s a 的g o d d a r d 空间飞行器中心研制的高精度编码器，它也 采用了图像处理的方式，编码器的编码方式是由基准线、位码和标志行共同构成，编码器 的位数由行及其包括的位数确定，它的译码过程是芯片和软件共同构成的，可以进行位移 和角度的测量，最终的角度分辨率为2 7 位。以适应航天领域的研究需要。相比而言，国 内对于成像式编码器的研究并不是很多，比较典型的有北京图像遥感所利用传感器进行了 淅大学硬士学位论文 光电轴角犏码嚣舟技术的研究 位移剥量的工作b ”，利用c c d 图像测量法检测标尺信号，运用数字识别技术，刻线定位 和亚像素细分技术来实现光学标尺位置信息的提取和细分，从而进行位秽剥量。中国测绘 科学研究院在利用单码道绝对编码时也用到了图像式的方法口”，利用c c d 拾取信号，进 行相关的解码来获得角度信息。因此，结合高速发展的半导体技术，研究成像式的编码器 是未来发展的一个主要方向，具有很重要的应用意义 图卜4 美国n a s a 设计的高精度编码器 1 2 课题的研究内客和意义 2 1 课题柬辣 本课题来源于浙江省自然基金项目“基于c m o s 成像技术的高分辨率小尺寸的绝对 轴角编码方法和系统的研究”( y 1 0 9 0 3 9 1 ) 。 22 课题内容和背景 传统的绝对式轴角编码器主要基于光度测量，印光从码盘的一侧照射而在码盘另一侧 接收透射光信号，再利用透光，不适光- 隋况来获得角度位置信息。在码盘尺寸一定的情况 下，分辨率越高，要隶一个圆周内的刻线数越多，那么刻线宽度就会越细，过细的刻线一 方面会造成透光量不足旺致不能区分遥光，不透光区域，男一方面也容易形成衍射现象导 致信号串扰，这样就会影响编码器的正常工作。 由此可见，码盘尺寸与分辨率之间是一对矛盾。为了解头这个矛盾，通过结合国内外 同行的技术特点，把面阵传感器引入到编码器之中，提出了成像式绝对编码方法，使用面 s 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 阵探测器接收二进制码盘图像，先沿码盘径向读取粗码，再利用探测器像素的空间均匀性 进行细分，该技术可以在不改变现有码盘编码方式的基础上获取更高的角度分辨率，而且 由于采用成像的方式，便于码盘的安装和调节。 本论文提出的成像式的绝对式轴角编码系统使用传统的格雷码码盘，利用面阵传感器 c m o s 接收码盘图像，利用硬件电路进行数据处理，使用串i ：1 进行角度输出，实现了成像 方式的角度实时测量。 论文主要完成的工作： ( 1 ) 设计了成像式的绝对轴角编码细分系统，并确定了编码和译码方案。 ( 2 ) 结合系统的需求对各单元的进行器件选型，最终选择了f p g a 作为主要控制芯 片的硬件系统。 ( 3 ) 搭建了整个测量系统，包括数据获取和数据处理单元，对于信号质量和系统的 稳定性进行了测试，并且引入其他测量工具对系统的测量结果进行比较和分析。 本论文的创新点主要有： ( 1 ) 为了解决码盘分辨率和尺寸之间的矛盾，将面阵传感器引入到轴角编码系统中， 利用探测器像素的空间均匀性对码盘进行细分，从而在不改变码盘编码方式的基础上提高 了编码器的分辨率，在实验中，可以将原始的1 3 位码盘提高到1 6 位。 ( 2 ) 在算法实现上，将f p g a 引入到绝对轴角编码系统中，整个角度译码方法采用 硬件电路实现，实现了实时的测量，扩大了系统的应用范围。 6 淅大学硬学位论x光电轴角编码署目舟技术的研究 第2 章基于面阵传感器的绝对轴角编码系统 本章首先将在介绍成像式编码器的系统总体结构的基础上，结合编码器的编码原理， 阐述成像式编码技术的测量和译码原理 本章将根据编码器系统中诸如光豫、编码码盘、面阵探测器，成像物镜，数据处理系 统等各部分的功能，遥一分析其特点，进行参数选型 2 1 系统总体舟绍 基于面阵传感器的绝对轴角编码系统如图2 - 1 所示，整个系统主要由光源，绝对武编 码码盘成像物镜、面阵传感器和码盘解码电路几部分构成。光源的作用是照明码盘，确 保清晰成像；成像物镜位于传感器和码盘之间，它的作用是将码盘图像放大，使得图像传 惑器能够正常接收到合适的码盘图像，以便于后续粗码和精码的读取；后续的处理电路处 理接收到的视频信号，然后将其进行解码，最终由串口输出。处理电路部分带有u s b 接 口，可以将实时图像直接输出到计算机中，这样可以在系统调试过程中观察图像质量，也 便于系统的安装和调试。 光源曰 成像物镜 面阵传感器 硬件电路 算机 图2 - 1 基于面阵传感器的轴角编码系统 数据处理的主要过程如图2 - 2 所示，c m o s 传感器接收的原始图像是灰度图像，首 先需要将灰度图经过二值化赴理转化为二值图像，二值化闽值可以根据实际情况自行确 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 图2 2 数据处理流程 定，或者采用自适应方法( 如o s t u 方法) 智能确定；然后从二值化图像中分别沿码盘的 径向和码道方向分别读取粗码和细码；最后将粗码和细码组合得到角度信息。这部分工作 主要由硬件电路完成，整个硬件电路系统结构如图2 - 3 所示，其中的c m o s 传感器负责接 收编码器图像，主控芯片为f p g a 芯片，它负责接收c m o s 传感器的行场同步信号和数 据信号，并且可以通过s c c b 总线对c m o s 的寄存器参数进行相关的配置，单片机主要 用来与f p g a 进行通信，产生复位信号和其他控制信号，f p g a 芯片对数据处理之后，将 角度信息通过m a x 3 2 3 2 芯片电平转换后经过串口输出，为了便于系统调试和安装，在系 统调试时增加了视频接收模块，其中c y 7 c 6 8 0 1 3 将c m o s 传感器的实时视频信号通过 u s b 输出到计算机中，在整个系统中，遵循时钟同步的原则，由c y 7 c 6 8 0 1 3 提供整个系 统的时钟。 数据行场同步 s 咖 毡回 图2 - 3 硬件电路系统框图 浙走学硕士学位论支光自轴自箱码毒自舟技术的岍兜 2 2 系统工作愿理 2 2 1 绝对码编码原理 绝对式轴角码盘是通过透光，不透光二进制编码方式对角度位置或位移实施绝对测量 的器件，通常以二进制位数代表码盘的角度分辨宰n 位码盘的角度分辨率为3 6 0 。2 “ 最初的绝对式编码器的编码方式是标准的二进制编码【2 ”，以田2 4 所示的三位码盘为 例，可以很明白的看出角度和编码的对应关系，角度和编码的关系如表2 - l 所示，一个n 位的码盘，它可毗把整个编码区域分为2 “个区域，三位的码盘就有2 3 = 8 个位置。在码盘 转动的过程中，它就会按照鳊码方式输出一系列的编码。但是这种编码方式有它的缺点， 当码盘停留在两个编码区域之闻时，就不能够很好的进行读数，园为可能套有两个或者两 个以上的位同时发生改变，同样以三位码盘为例，在编码器从1 7 99 。过渡到1 8 0i 。的过 闰2 - 4 三位二进制码码盘圈2 5 三位格雷码码盘 程中，也就是从第4 个区域到第5 个区域，根据表中所示，输出的编码从0 1 1 变为1 0 0 ， 在实际测量时，编码不可能在同一时刻改变，因此实际的状况有可能会变为 叭l ，1 1 1 1 1 0 - 1 0 0 ，在这种情况下，表示的区域分9 0 为4 ，8 ，7 和5 四个区域，会造成从4 区直接跳转到8 区，然后倒回到7 区，最终倒回5 区的误判，这种情况会导致不可预料的 后果。 为了避免上述出现的状况，产生了格雷码编码，它的编码原理是每次只有一位发生变 化，同样以三位编码器为例，它的码盘图案如图2 - 5 所示，因此同样是从4 区到5 区，输 出的编码只是从0 1 0 到1 1 0 ，不会发生上面的情况，三位格雷码角度编码对应的关系如表 2 - 2 所示我们在实验过程之中使用的码盘就是采用格雷码编码的，所不同的是它除了编 9 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 表2 - 1 三位二进制码编码器角度编码关系 区域 码道1 码道2码道3角度 1oo00 0 - 4 5 0 20o14 5 0 9 0 0 3 o109 0 0 1 3 5 0 40 1 l 1 3 5 0 18 0 0 5loo18 0 0 - 2 2 5 0 6 1o12 2 5 0 - 2 7 0 0 71l02 7 0 0 - 3 1 5 0 8l113 1 5 0 - 3 0 6 0 码区域之外还增加了定位码和校正码，校正码和位于最外圈的单元是一致的，不同的只是 位相上相差1 2 个单元，具体结构会在后面的章节中详细介绍。 表2 2 三位格雷码编码器角度编码关系 区域码道1码道2码道3角度 1 o0o0 0 4 5 0 2o014 5 0 9 0 0 30l19 0 0 13 5 0 ： 4o1o1 3 5 0 1 8 0 0 51l o18 0 0 2 2 5 。 6 l112 2 5 0 - 2 7 0 0 7lo l 2 7 0 0 _ 3 1 5 0 8 lo03 1 5 0 3 0 6 0 2 2 2 测量和译码原理 系统的角度测量原理如图2 - 6 所示。为了叙述方便，假设面阵传感器的像素列方向与 码盘径向一致，那么码道方向近似与像素行方向一致。首先选定某一列作为检测线，那么 1 0 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 由该列在不同码道的交叉像素亮暗情况，可以读出一组二进制数值，该数值与一定的角度 值相对应，称为粗码；然后利用像素的空间均匀性对最小码元进行细分，即根据码道方向 上检测线在最小码元中的相对位置进一步读出角度的细分值，称为精码；最终的角度信息 由两者共同组成。 一，橙 最 l i 。，ii ? 一 & 勰一l 一 - 5 道方向 图2 6 角度测量不葸图 由于系统采用上面提到的格雷码编码，对于一个n 位的编码器，它的角分辨率为 1 8 0 。2 ”1 ，粗码的读取方式和传统的绝对式编码器读取方式一致。粗读角度9 可以表示 为 p i - 型夕4 2 h ( 2 1 ) n _ 其中a f 为第i 位的码值，为1 或0 。精码的读取与细分数相关，假设最小码元被2 m 个像素细分，那么细分数为r n 。假定码盘有效码区的外径、成像物镜的放大倍率和传感器 像素尺寸分别为r 、p 和a x a ，编码器最小码元大小为，。那么容易计算得到细分数为 州例2 口= 筹 ( 2 2 ) 如果选定的检测线在最小码元中所在的位m ( 介于0 和m 之间) ，那么细分角度为 护一：婴型( 2 3 ) 2 “ m 对于n 位格雷码码盘，传统测量方式角度分辨率为3 6 0 。2 ”，在结合公式( 2 2 ) 所 表示的细分数，可以得到该方法的角度分辨率为 万；一1 罂：一1 8 0 。a ( 2 4 ) n ；一= 一 ij m2 ”1 刀口r 由此可以看出，角度分辨率与传感器像素尺寸a 成正比，而与最外圈码道的半径r 和 成像系统的放大率d 成反比，但是这些参数的改善会受到某些因素的限制，使得角度分辨 率不可能无限制地提高。这其中主要有以下几个原因： 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 ( 1 ) 传感器像素尺寸a 与日前面阵传感器的制造工艺有关，为岬量级。 ( 2 ) 最外圈码道的半径r 受到系统小型化的限制。 ( 3 ) 成像系统的放大率1 3 取决于物像的比例关系，即码盘码区的大小和面阵传感器光 敏面的比例关系，由于图像传感器的光敏面有一定大小限制，所以为了使得整个码道在径 向上完整成像，放大率不能太高。 假设系统参数为：像素尺寸5 2g m 5 2 i x1 1 1 ，光敏面大小为6 6 6 m m 5 3 2m m ，1 3 位 格雷码盘( 码道半径为4 0 7 5m i l l ，单个码道宽度为0 0 5m i l l ) ，放大率为2 倍。在此条件 下利用公式( 2 4 ) 估算得到角度分辨率约为o 0 0 5 。( 即3 6 0 。0 0 0 5 。z2 1 6 ) ，相当于1 6 位码 盘的分辨率。 2 3 器件选型及相关参数分析 编码器系统由光源、成像物镜、面阵探测器、成像物镜、数据处理系统等构成，下面 将结合编码器的工作原理逐一地介绍各个元件的特性并进行选型。 2 3 1 光源 传统的编码器是利用光栅产生莫尔条纹进行测量，当接收元件为光电二极管或光电三 极管时，为了防止直流电平漂移，对光源【2 5 1 的要求比较高，有时候为了保证光源的平行性 和稳定性，还要在照明部分额外添加光学系统，来确保接收信号的直流电平漂移比较小， ! 从而保证系统的分辨率2 6 1 。 对于基于成像式测量的绝对轴角编码系统，由于后面的检测器是图像传感器，光源在 整个轴角编码系统中的作用是照亮码盘，通过成像物镜后在面阵传感器的光敏面上成像， 进而获得图像信号，影响传感器输出信号的主要因素有光源的光谱成分和随时间的变化的 光源强度，因此对光源的要求并不是很高。具体来说对光源的要求为- ( 1 ) 发光效率高、亮度好，寿命长。 ( 2 ) 体积小，供电系统简单，发热量小。 ( 3 ) 与后续的面阵探测器的相应特性想匹配。 光源广义上来说可以分为两大类：自然光源和人工光源，自然光源的发光特性不能够 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 改变，人工光源主要分为以下几类： 钨丝灯光源【2 7 1 ，它主要分为钨丝白炽灯和卤钨灯，钨丝白炽灯是一种恒流光源，它的 关键部分是由高熔点的钨丝，一般被绕成单螺旋或者双螺旋形状。白炽钨丝灯的发光遵循 黑体辐射定律和维恩位移定律，即钨丝灯的温度越高，辐射出射度越强，短波长光谱辐射 的含量越高，灯的发光效率取决于灯丝温度，受电压影响比较大，并且长时间处于高温状 态时候，会影响其使用寿命。卤钨灯是白炽灯的改进，主要用于投影仪等大型设备中，由 于轴角编码器系统很小，而且比较封闭，因此发热量高、体积较大的钨丝灯不适合为系统 提供照明。 气体放电灯2 8 1 ，这类光源主要包括汞灯、钠灯、氙灯等，它们的显著特点是经过高压 是气体发生电离放电，和上面提到的钨丝灯相比不需要加热发光。它的发光强度高，属于 脉冲光源，主要用于高速摄影中，但是缺点是供电系统比较复杂，而且由于是闪光光源， 寿命也不是很长。 l e d ( - 半体发光二极管) 光源【2 叭，l e d 光源的历史始于1 9 7 0 年，它的发光机理主要 有p n 结注入发光、异质结注入发光等。它的优点很多，体积比较小、集成度好；单色性 好，颜色种类很多；工作电压比较低，功耗小，供电系统比较简单；发光效率比较高，亮 度较强，寿命长，因此广泛用于图像传感技术之中。 最终经过比较之后，系统的照明光源选择了红色l e d ，其峰值波长为6 5 0n l n ，半宽 度小于4 0n l n 。 2 3 2 编码码盘 如2 2 1 所述，系统使用了1 3 位格雷码编码的编码器，编码是通过刻蚀玻璃基底上的 金属铬层制作而成，共有1 5 圈码道，其中最内圈为通光圈( 它在3 6 0 度都是透光的) ，最 外圈为校正码( 它与次外圈只是在位相上相差9 0 度) ，中间1 3 圈采用格雷码编码，每一 个码道的宽度为o 0 5m i l l ，1 5 位码道的径向宽度为o 7 5m r n ，图2 7 是码盘的c a d 图像 和局部放大图像。需要注意的是在测量过程中为了便于数据处理需要通过调整使c m o s 图像传感器的像素列方向与码盘径向保持一致。 渐大学硬士学位论x 光电轴角编日善舟拽束的* 兖 2 33 面阵探测器 图2 7 码盘的图像和局部放大图像 图像传感器可咀把外界的景物以田像的形式记录下来，还可以弥补人类视觉的不足并 扩展其功能，它是在光电技术基础上发展起来的、将光学图像转换成一维时序信号的器件 【捌图像传感器主要分为真空圉像传感器和固体图像传感器两类，真空图像传感器包括撮 像管像增强管、变像管；固体图像传感器主要包括c c d ( g 荷耦合器件) 和c m o s ( 互补 金属氧化物半导体) 两大类。与真空图像传感器相比，固体图像传感器具有体积小、功耗 低、重量轻、低成本、长寿命等优点，而且固体图像传感器都是平面形状，所以对于不同 应用场合的要求适应性更大。 c c d m l l 3 2 1 是上个世纪7 0 年代发展起来的半导体器件，它是在m o s 集成电路的基础 上发展起来的，它的工作机理为：成像单元光照作用下发生光电转换，形成电荷存储，然 后在时序脉冲的驱动下，将存储的电荷转移到寄存器之中，变换为图像信号输出到芯片的 外围电路，经过信号放大和a d 转换，最终输出数字信号，按照工艺可以将其分为面阵和 线阵两类。目前c c d 广泛应用干数字摄影，天文学等领域c c d 的光敏单元是无豫像素 f p a s s i v e p i x e l ) ，即只可以将照度转换为电荷量，而不能转换为相应的电压值，它的结构简 单，但是在电荷耦合、转移等过程比较复杂，而且驱动脉冲复杂c c d 的输出电荷方式 是串行输出，日p 需要保证每一个像素都要运行才能正常工作，这个特点导致了它的成品率 难以控制，成本较高。 c m o s 电路发明始干1 9 6 3 年1 1 “】，c m o s 传感嚣早期和c c d 一样使用无摞像素， 浙江大学硕士学位论文 光电轴角编码器细分技术的研究 但是由于传输线电容较大，导致读出噪声很大。到了上个世纪9 0 年代中期，美国国家航 空即太空总署( n a s a ) 的一个实验室发明了有源像素( a c t i v ep i x e l ) g 寸c m o s 的图像传感器， 大幅度提高了c m o s 传感器的成像质量，使得其应用得到了广泛的开展，c m o s 传感器 的特点是光电转换、电子转电压和信号缓冲放大等过程都是在成像单元内部完成的。 c m o s 传感器的优点是成本低，集成度高，它可以把图像传感器阵列、驱动和控制电路、 信号处理、a d 转换等数字接口完全集成到一起，从而实现单芯片的成像系统，而且功耗 很低。在c m o s 传感器中还可以设置其他的数字处理电路，如自动曝光、非均匀性补偿、 白平衡处理、丫校正控制等，大大提高了c m o s 传感器的成像质量。c m o s 传感器图像信 号有几种读出模式，除了常规的阵列逐行扫描之外，窗口读出模式还允许用户读出感兴趣 窗口内的像元信息，或者以跳跃模式将像素信息每隔一个或者多个读出，这样可以在降低 分辨率的前提下，增加读取速率，将跳跃模式和窗口模式结合，此外，还可以实现全景摄 像、可变焦摄像。 c m o s 传感器的原理结构如图2 8 所示，图中的像敏单元按照x 和y 方向排列，每 图2 8c m o s 传感器的结构 个像敏单元都有各自在x 和y 方向的地址，可以分别通过两个方向的地址译码器进行地 址选择；每一列的像敏单元对应一个列方向的放大器，它输出的放大信号接到多路模拟开 关，它的地址通过x 方向的地址译码器进行控制，最终输出到输出放大器，输出放大器的 信号送至数模转换器进行转换，然后经过预处理电路由接口电路输出。同步控制电路为整 个传感器提供工作所需要的脉冲，可以通过接口电路的控制信号来控制这些脉冲。 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 影响c m o s 传感器的性能参数的主要指标有以下几个方面： ( 1 ) 光谱性能和量子效率：它主要取决于器件本身的像元，也就是光电二极管，它 的光谱响应特性和量子效率除了受表面光反射、透过率等因素影响之外，还会随着波长的 变化而变化。 ( 2 ) 填充因子：它是指光敏面和全部像敏面积之比，它主要对器件的灵敏度、噪声、 响应速度等有影响。 ( 3 ) 输出特性和动态范围：c m o s 传感器主要有线性模式、对数输出模式、双斜率 模式和1 ，校正模式等几种输出模式，不同模式的动态范围相差很大。 ( 4 ) 噪声：噪声主要是来自像元中的光电二极管、放大器和行列选择器里面的场效 应管，这些都会对信号的质量带来影响。 结合2 2 2 的计算分析和公式( 2 4 ) ，可以得出成像式编码器所需要的面阵传感器主 要要求为： ( 1 ) 为了达到高的细分数，需要单个像素的尺寸较小。 ( 2 ) 有良好的信噪比和光谱响应特性，光谱响应范围和照明光源相匹配。 ( 3 ) 传感器的外围驱动简单，输出的信号为灰度数据。 综合以上考虑，最终选择了o m n i v i s i o n 公司的黑白图像传感器o v 9 1 2 1 3 5 1 ，它的具体 参数如表2 3 所示，单个像素为5 2 i ，t m 5 2 1 a m ，像面大小为6 6 6 m m 5 3 2 m m 。 表2 - 3 面阵传感器0 v 9 1 2 1 参数 a r r a ys i z e s x g a1 2 8 0 1 0 2 4 v g a6 4 0 4 8 0 m a x i m a g et r a n s f e rr a t e s x g a1 5f p s v g a3 0f p s s e n s i t i v i t y 1 0w l u x s e c p i x e ls i z e5 2p m 5 2p m s nr a t i o5 4d b d y n a m i cr a n g e 6 0d b ( d u et oa d cl i m i t a t i o n s ) i m a g ea r e a 6 6 6n 2 m 5 3 2m m d a r kc u r r e n t2 8m v s o v 9 1 2 1 有两种分辨率输出格式，分别为s x g a 和v g a ，在v g a 模式下最大传输帧 1 6 浙江大学硕士学位论文光电轴角编码器细分技术的研究 数为3 0 f p s 。它的内部工作模块如图2 - 9 所示，可以看到传感器内部包括一个1 3 1 2 1 0 3 6 图2 90 v 9 1 2 1 内部工作模块 的感光阵列，同时集成了行控制