【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于角测量装置，具体涉及基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器及其设计方法。
技术介绍
1、目前，公知的光电轴角编码器是一种利用光电转换技术进行角度测量的传感器，在高精度角度测量、电机控制、速度测量等领域具有广泛的应用。光电轴角编码器可分为绝对式编码器和增量式编码器两类，其中绝对式编码器根据码道数目又可分为单圈绝对式编码器和多圈绝对式编码器。
2、增量式编码器其编码盘刻线间距均匀，对应每一个分辨率区间，输出一个增量脉冲，计数器相对于基准位置对输出脉冲进行累加计数。增量式编码器优点是易于实现小型化，响应迅速，结构简单，缺点是必需单独设置固定零点，掉电恢复后容易造成当前位置数据丢失，且有误差累计现象。
3、绝对式光电轴角编码器一般使用二进制码盘，码盘上码道按一定规律排列，对应每一分辨率区间有唯一二进制，因此不同位置可输出的编码不同。绝对式编码器具有输出编码是轴角的单值函数，抗干扰能力强，掉电后再启动无须重新归零和标定，无累计误差等优点。
4、市场上单圈绝对式光电轴角编码器码盘编译码原理及刻划工艺已经成熟，单圈绝对式码盘可在市场上批量购买，其关键技术及主要创新点在于译码技术及细分算法的研究，但单圈绝对式编码器译码及细分技术的相关现有技术较少，需独立自主研究。
5、现今光电轴角编码器存在以下问题：
6、（1）在光电轴角编码器市场，绝对式编码器占有量较少，大部分采用的是增量式编码器。主要是因为绝对式编码器分辨率较低（大部分分辨率低于20位）、造价昂贵且绝对式编码器的稳定
7、（2）在绝对式编码器设计结构上，利用光电图像转换的单圈绝对式编码器很少有现有技术涉及。大部分采用的是利用格雷码编码的多圈绝对式光电轴角编码器，从而导致编码器的体积较大，使用场景受限制。
8、（3）在小型化单圈绝对式光电轴角编码器领域，几乎很少有产品应用m序列码以及粗码、细码相结合的方式这一编码原理，且精度很少有能达到24位及以上。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：
2、为解决现有的单圈绝对式光电轴角编码器在角度测量中分辨率低、稳定性差的问题，提供一种基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器及其设计方法。
3、本专利技术采用的技术方案如下：
4、基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，包括转台，所述转台的顶面上安装有码盘，所述码盘上靠近码盘外边缘的平面上分别设置有外环道和内环道，所述外环道与内环道之间设置有编码区域，所述编码区域内均匀设置有m序列码条纹，所述m序列码条纹之间设置有透射条纹，所述码盘的一侧还安装有光源，码盘的另一侧安装有与光源配合的cmos图像传感器，所述cmos图像传感器电性连接有fpga处理板。
5、进一步地，所述fpga处理板包括fpga内部模块和外围电路模块，所述fpga内部模块包括数据处理模块和用于通信的串口通信配置模块。
6、进一步地，所述数据处理模块包括二值化处理模块、像素计数模块、只读存储器核编写模块、粗码识别模块、细码质心算法模块、角度细分模块和粗码细码组合模块。
7、进一步地，所述fpga内部模块还包括图像传感器驱动配置模块、ad驱动配置模块和与数据处理模块通信的码值数据模块。
8、进一步地，所述外围电路模块包括与ad驱动配置模块和与数据处理模块通信连接的ad模数转换模块、与图像传感器驱动配置模块连接的cmos光照图像采集模块和与串口通信配置模块连接的数据显示窗口模块。
9、进一步地，所述外围电路模块还包括电源电路模块、电平转换电路模块、时钟电路模块、复位电路模块和芯片配置jtag电路模块。
10、基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器的设计方法，包括如下步骤：
11、步骤a、对m序列码进行设计：
12、设置编码器每次读取n位码数进行角度判断，设置m序列码为周期循环的序列码，一组编码是角度的单值函数，在码盘（2）上的编码区域（11）内的码道上刻划2n-1个码值，当编码器转动一个分辨率时，则读取的序列码移动一位，此时同时在序列码读取范围内同时移出一位码和移入一位码，未变化的n-1位码与新移入的一位码即构成新一组序列码，即实现通过读出所述新一组序列码来判断出对应位置的角度；
13、步骤b、对码盘（2）的刻划进行设计：
14、设置m序列码条纹为宽度大于透射条纹的粗码，透射条纹为宽度小于m序列码条纹的细码，对于码盘（2）的机械结构刻划设计，将m序列码条纹部分设置为亮线并镀铬处理，其余部分设置为透射区，在相邻粗码间的透射区插入细码用于细分处理，码盘（2）上的码道采用12位编码进行设计；
15、步骤c、对译码原理进行设计：
16、译码包括粗码识别和细码识别两部分；粗码的识别：在fpga中预先设置粗码的rom表，采用查表的方式对m序列码进行识别，得到粗码的角度位置信息；细码的识别：采用带阈值的质心算法来识别细码的中心，通过对细码中心位置移动的计算来破解出对应的角度值；最终的角度位置=粗码的角度值+细码的角度值；
17、步骤d、对硬件电路进行设计：
18、根据译码原理设计电路结构：选用光电耦合器件线阵cmos作为光电接收转换设备，将电路板分为fpga内部电路和外围电路，光源（3）发出的光经过镜片准直扩束以后，照射在码盘（2）上，外围电路的cmos图像传感器（4）接收透过码盘（2）的图像，将采集后的图像经过外围电路中ad模数转换模块的转换，将光信号转为电信号，传入后端的fpga内部电路中的数据处理模块对图像信息进行解码。
19、进一步地，所述步骤b中，粗码宽度设置为0.04mm，间隔设置为0.04mm，细码宽度设置为0.02mm并设置为亮线，码道的线长为1mm，光栅周期为0.087912°，其中粗码的中径宽角度为0.044502°，细码的中径宽角度为0.022251°，粗码与细码的间隔宽角度为0.010580°，一组12位码值对应的宽度为0.92mm。
20、本专利技术中提及的相关英文缩写名称具体中文含义如下：
21、fpga（field programmable gate array）：可编程门阵列；
22、cmos（complementary metal oxide semiconductor）：互补型金属氧化物半导体，是主板上一块可读写的ram芯片（random access memory，随机存取存储器），用于保存当前系统的硬件配置信息和用户设定的某些参数；
23、ad（analog-to-digital）：模拟数字转换器，用于将模拟形式的连续信号转换为数字形式的离散信号；
24、rom(read-only memory)：只读存储器；
25、jtag（joint test action group）：联合测试工作本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，其特征在于，包括转台（1），所述转台（1）的顶面上安装有码盘（2），所述码盘（2）上靠近码盘（2）外边缘的平面上分别设置有外环道（9）和内环道（10），所述外环道（9）与内环道（10）之间设置有编码区域（11），所述编码区域（11）内均匀设置有m序列码条纹，所述m序列码条纹之间设置有透射条纹，所述码盘（2）的一侧还安装有光源（3），码盘（2）的另一侧安装有与光源（3）配合的CMOS图像传感器（4），所述CMOS图像传感器（4）电性连接有FPGA处理板（5）。
2.根据权利要求1所述的基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，其特征在于，所述FPGA处理板（5）包括FPGA内部模块和外围电路模块，所述FPGA内部模块包括数据处理模块和用于通信的串口通信配置模块。
3.根据权利要求2所述的基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，其特征在于，所述数据处理模块包括二值化处理模块、像素计数模块、只读存储器核编写模块、粗码识别模块、细码质心算法模块、角度细分模块和粗码细码组合模块。
4.根据权利要求2所述的基于m序
5.根据权利要求4所述的基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，其特征在于，所述外围电路模块包括与AD驱动配置模块和与数据处理模块通信连接的AD模数转换模块、与图像传感器驱动配置模块连接的CMOS光照图像采集模块和与串口通信配置模块连接的数据显示窗口模块。
6.根据权利要求2所述的基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，其特征在于，所述外围电路模块还包括电源电路模块、电平转换电路模块、时钟电路模块、复位电路模块和芯片配置JTAG电路模块。
7.基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器的设计方法，用于设计权利要求1-6任一所述的基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器的设计方法，其特征在于，所述步骤B中，粗码宽度设置为0.04mm，间隔设置为0.04mm，细码宽度设置为0.02mm并设置为亮线，码道的线长为1mm，光栅周期为0.087912°，其中粗码的中径宽角度为0.044502°，细码的中径宽角度为0.022251°，粗码与细码的间隔宽角度为0.010580°，一组12位码值对应的宽度为0.92mm。
...【技术特征摘要】
1.基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，其特征在于，包括转台（1），所述转台（1）的顶面上安装有码盘（2），所述码盘（2）上靠近码盘（2）外边缘的平面上分别设置有外环道（9）和内环道（10），所述外环道（9）与内环道（10）之间设置有编码区域（11），所述编码区域（11）内均匀设置有m序列码条纹，所述m序列码条纹之间设置有透射条纹，所述码盘（2）的一侧还安装有光源（3），码盘（2）的另一侧安装有与光源（3）配合的cmos图像传感器（4），所述cmos图像传感器（4）电性连接有fpga处理板（5）。
2.根据权利要求1所述的基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，其特征在于，所述fpga处理板（5）包括fpga内部模块和外围电路模块，所述fpga内部模块包括数据处理模块和用于通信的串口通信配置模块。
3.根据权利要求2所述的基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，其特征在于，所述数据处理模块包括二值化处理模块、像素计数模块、只读存储器核编写模块、粗码识别模块、细码质心算法模块、角度细分模块和粗码细码组合模块。
4.根据权利要求2所述的基于m序列码的单圈绝对式光电轴角编码器，其特征在于，所述fpga内部模块还包括图像传感器驱动配置模块、ad驱动配...
【专利技术属性】
技术研发人员：李文财，李胜强，谢拉堂，贺文，李立雷，李祥，刘畅，刘书岑，
申请(专利权)人：四川科奥达技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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