微机对脉冲信号细分和辨向的新方法技术

本发明专利技术以微机内部时钟脉冲及ＣＴＣ芯片配以相应软件，构成按时间均匀分度的“时间标尺”，再用一般测量仪器的“空间标尺”（光栅、磁栅、感应同步器、激光等）对前者进行标定，而前者又反过来对后者进行细分。再辅以简单辨向电路还可同时完成辨向。可使传统测量仪器中的数字电路大大简化，且不需用高质量传感器，使成本降低，可靠性增加，可完成静态和非匀速动态测量，方便灵活。可使现代测量仪器附带用于数据处理的微型计算机得到更充分的应用。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于几何量(位移、角度等)精密测量中对脉冲信号细分和辨向的方法。与本专利技术相近的技术现状主要有两方面(1)、传统的技术上比较成熟并已制成了实用的测量仪器。如成都工具研究所最新一代“CZ-450型齿轮整体误差测量仪”，其特点是采用集成电路元件或分离元件，组成相应数字电路，对脉冲信号进行细分和辨向。这种方法硬件电路复杂，改变细分数就要改变电路，环节多成本高且细分数难以提高。(2)、国内已经发表的几篇关于微机细分技术的文章，目前尚处于研讨阶段，未见产品问世。(经重庆大学“国际联机检索”查询，未发现与本专利技术更接近的专利登记)这些微机细分方法的特点是对脉冲整形以前的正弦波进行“测幅”，然后换算成角度，再按当量换算成长度或角度。这种方法的精度直接与标尺(如光栅)产生的正弦波信号质量有关。波形失真、模数转换、直流电平漂移、非正交性等都会带来较大的误差。如果要求细分数较大，相邻两点的幅值相差就很小，更难以正确区别。标尺运动的快慢会引起幅值的变化，因此还必须保持标尺运动速度恒稳。一方面要进一步提高标尺的质量以改善正弦信号的质量在工艺上有很大的困难，另一方面模数转换仍需不少硬件电路支持，尤其会引起时间滞后，难以适应动态测试。所有这些，都是目前这种技术在多年研讨后仍难以推广发展的根本原因。本专利技术的目的在于提供一种电路非常简单，不要求使用高质量信号，细分数可相当高且变换灵活方便，成本低，便于推广应用的微机细分和辨向的新方法。本专利技术的技术解决方案是一种，用按空间均匀分度的测量标尺(光栅、磁栅、感应同步器、激光等)，微型计算机、辨向电路和相应微机软件完成在对几何量(位移、转角等)进行动、静态精密测量时对脉冲信号的细分和辨向，其特殊之处在于用微机中的时钟脉冲和CTC芯片及相应软件，构成按时间均匀分度的辅助标尺-“时间尺”。用专用微机软件完成在测量过程中空间尺对时间尺的标定，以及时间尺对空间尺的细分。同时利用专门辨向电路和接口电路使微机在每次计数前查询辨向电路状态以判别测量标尺运动方向，以决定加1或减1，完成辨向。辨向电路由积分型单稳触发器、R-S双稳触发器和三态门组成，以此作为微型计算机的一个外设接口。另由与非门、反相器构成此接口的地址译码器。用本专利技术完成细分和辨向与现有的方法相比具有(1)、电路非常简单，作辨向时只需几片通用“与非门”集成块，作细分时完全不要附设硬件，只对现代测量仪器本身附带的用于数据处理的计算机作软件开发即可，因而成本低廉。由于电路环节少，稳定性、可靠性亦可提高。(2)、适用性强，对正弦信号质量几乎不作要求，对传感器(标尺)质量要求降低自然也可降低成本。(3)、由于时钟脉冲相对而言频率极高，细分数可以设计得相当高，使分辨率提高，有利于提高测量仪器精度。且使用灵活方便，可用软件改变细分数而无须变动电路。(4)、对静态测量，非匀速动态测量均适用，方法简便。附图说明图1为光栅传感器产生的正弦波及整形后方波。图2为方波及分频后的时钟脉冲。图3为计算机主程序。图4为计算机中断服务程序1。图5为计算机中断服务程序2。图6为计算机中断服务程序3。图7为辨向电路及微机接口电路。图1所示，测长或测角，通过光栅(其它如磁栅等道理完全一样)得到的是一串正弦波，再整形成为脉冲方波。这些波按空间均匀分布，只须数出波的个数即可按当量换算成相应代表的长度或角度。但计数器只能计整数。例如测量ab段，计数器只能得到2个脉冲，小数就无法读出，于是需要细分。传统数字电路的方法是用硬件电路将一个正弦波变成n个正弦波，达到n细分，现有微机细分技术，是测出b点处正弦波的幅值，再判断是哪一像限，确定为，比方说60°，则ab段空间就应该是2+ 60/360 ＝2.17个脉冲当量，达到细分目的。本专利技术采用下述方法读出这段小数即完成细分，如图2所示，在测量过程中用每一个光栅脉冲P，触发一串按时间均匀发出的脉冲P′。比如需要100细分，就在2个P之间发100个P′，微机不但对P计数，也对P′计数。在测量采样信号到来以前，每到一个P，P′计数器的内容∑TP′就被冲掉，重新从0开始计数，最后只保留采样信号到来时P′计数器内容∑P′，仍以上例为例，若在采样信号b发出时数得∑P＝2，∑P′＝17，则总脉冲数应为2+ 17/100 ＝2.17。可归结为总脉冲数＝∑P+ (∑P′)/(细分数)即现在用了两把尺子按空间均匀分度的光栅脉冲P和按时间均匀分度的时间脉冲P′，前者用于计整数，后者用于计小数。若光栅尺移动(转动)速度恒定，∑TP′＝细分数为定数，则时空刻度按确定关系等价互换。用微机本身的时钟脉冲，再利用微机CTC芯片四个通道中的一个，使之工作于“定时”状态，就可得到所需要的任何频率的P′，也就是对两个P之间的空间任意细分，这样只须在程序上稍加改动就可改变细分数，十分方便。若要求时空刻度能按一恒定比值等价互换，就要求光栅标尺运动速度恒定。一般精密测量仪器采用精密步进电机能够做到这一点，而本专利技术在软件上的设计，可使光栅标尺移动速度即使变化10%～30%(视具体平均速度、标尺栅距等条件而定)也能保证足够的测量精度。具体地说，就是利用微机快速运算，在每次计∑P′前，算出在这一瞬时每个P′(时间标尺刻度)应该具备的“空间权”，即不断用空间标尺对时间标尺进行“标定”。仍以上例为例，设此时速度不匀，则∑TP′不是定数，这时我们不再用细分数100作为固定的分母，(只把它当作对应于平均速度的一个参数)而以每次采样信号到来前一周期的∑TP′作为分母。P′是均时发出的，若前一周期∑TP′小，(比如94)即当时移动一个标尺节距所用的时间少(瞬时速度快)， 1/(∑TP') 就大，在采样点数得的∑P′中每个P′具有的空间权就大。如本例总脉冲数应为2+ 17/94 ＝2.18可归结为总脉冲数＝∑P+ (∑P′)/(∑TP′)这样即使是非匀速的动态测试，时空刻度也能准确地互换。由积分型单稳触发器和R-S双稳触发器组成的辨向电路，利用光栅互差90°的两路方波，使标尺正向运动时双稳触发器置1，反向时置0，当此外设口指定地址出现在微机地址总线上时，通过地址译码器使三态门选通，微机查询此时触发器状态以决定计数器加1或减1，即可辨向。本专利技术实施例一种“弧面蜗杆误差测量仪”(类似于齿轮整体误差测量仪的原理)的计算机程序框图(图3～图6)和辨向接口电路(图7)。其中用了两套中断服务程序用于计P，其中光栅Ⅰ的脉冲P1用作采样信号，光栅Ⅱ的P2为被测信号，中断服务程序3利用分频后时钟脉冲信号P′申请中断对P2进行细分。两套完全一样的辨向电路分别对光栅Ⅰ和Ⅱ进行辨向。一、主程序(见图3)(1)CTCO，CTC1，CTC2初始化(2)B-逆转时发出的P计数器C-∑TP′存贮器D-采样点计数器E-上次采样小数存贮器H-整数计数器L-∑P′计数器及小数 (∑P′)/(∑TP′) 存贮器(3)采样数据存贮区首地址(4)中断方式2(5)开中断二、中断服务程序1(见图4)，CTCO工作于计数状态。(6)250个采样点测量完否？(7)标准轴(光栅Ⅰ)正转吗？若逆转B增1，(8)进入有效正转吗？若不是则B减1。(9)计算小数 (∑P′)/(∑TP′) 后送入L。(10)减去上次采样小数，(11)小数送入数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机对脉冲信号细分和辨向的新方法：用按空间均匀分度的测量标尺（光栅、磁栅、感应同步器、激光等），微型计算机，辨向电路，接口电路和相应微机软件完成在对几何量（位移、角度等）进行动、静态精密测量时对脉冲信号的细分和辨向，其特征在于用微机中的时钟脉冲和ＣＴＣ芯片及相应软件，构成按时间均匀分度的辅助标准尺－－“时间尺”，用专用微机软件完成在测量过程中空间尺对时间尺的标定，以及时间尺对空间尺的细分；辨向电路由积分型单稳触发器、Ｒ－Ｓ双稳触发器和三态门组成，并为微型计算机的一个外设接口；由与非门、反相器构成此接口的地址译码器；微机在每次计数前查询辨向电路状态以决定加１或减１，完成辨向。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭东林，张光辉，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]