专利名称：具有参考标记的编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种编码器。它可以应用于旋转的和线性的编码器，以指示两个相对移动的部件关于彼此的位置。
现有技术描述已知的递增式编码器包括具有规则的递增式标记的标尺，以及可沿着标尺移动的标尺读取器，其响应于当它们经过时的递增式标记来生成输出脉冲或周期性波形。将输出输送到计数器，该计数器对这样生成的递增式脉冲或周期进行计数，使得可以测量行进的距离。
在递增式标尺中，已知在沿着标尺的一个轨道中提供递增式标记，并且还提供一个或多个参考标记(通常在平行的轨道中，虽然也提议将它们嵌入在递增式轨道中)。读取头具有用于检测参考标记的合适的检测器。通过当检测到参考标记时将计数器重置到零或一些其它预先设置的值，计数器可输出用以指示绝对位置，例如，从参考标记的位置开始的实际距离。
可能需要在参考轨道中具有若干参考标记，并且使得用户可以选择使用哪个参考标记，也就是，使用哪个来重置计数器。在美国专利No.4459750(Affa)中示出了一个实例，其中选择器元件位于和所选的参考标记相对。这里的问题包括参考标记需要彼此相隔很宽的事实。这样，用户不能自由选择参考标记的精确位置，并且可能在到达合适的参考标记之前需要将读取头沿着标尺移动可观的距离。这里还需要对选择器元件进行机械的定位。
还已知绝对的和准绝对的编码器，其中在标尺的一个或多个轨道中提供对沿着标尺的绝对位置进行编码的信息。从美国专利No.4009377(Elms)和6127948(Hillis等人)中可以知道，编码绝对位置的一种方式是使用伪随机码。将该伪随机码进行电子解码或在计算机中解码来获得绝对位置。但是，这并没有针对以上述方式提供参考标记的问题，例如，重置计数器的问题。
发明内容
本发明的一个方面提供一种编码器，其包括标尺和标尺读取器；标尺具有在长度方向上隔开的多个参考标记；标尺读取器包括读取该参考标记的传感器；其特征在于以随机或伪随机图形沿着标尺布置该参考标记；当标尺读取器在参考标记的图形上移动时，连续比较该图形和先前存储的图形；以及当该参考标记的图形和先前存储的图形匹配时，输出参考信号。
本发明的另一方面提供一种编码器，其包括标尺和标尺读取器；标尺具有一系列沿着其长度延伸的递增式标记，以及在长度方向上隔开的多个参考标记；标尺读取器包括一个或多个传感器，其读取递增式标记并且从其中生成输出，并且其读取参考标记；其特征在于以随机或伪随机图形沿着标尺布置参考标记；当标尺读取器在参考标记的图形上移动时，连续比较该图形和先前存储的图形；以及当参考标记的图形和先前存储的图形匹配时，输出参考信号。
该编码器可以包括指示读取头沿着标尺的位置的计数器，所述参考信号连接至计数器的输入，以将计数器重置到预先设置的值，比如零。
在优选实施例中，当标尺读取器经过参考标记时，标尺读取器将参考标记的图形读入移位寄存器，并且将在移位寄存器中的图形和先前存储的图形比较。根据从参考标记图形接收的值，可以将该值引入移位寄存器的一个端口，并且随着标尺读取器经过参考标记，可以沿着移位寄存器同步地移位这些值。优选的，根据标尺读取器沿着标尺行进的方向，将该值引入移位寄存器的任一个端口。
下面将通过参考附图，以实例的方式描述本发明的优选实施例，其中图1是编码器的第一实施例的示意性图，示出了标尺、读取头和用于生成参考信号的电路；图2是编码器的第二实施例的示意性图；图3是一波形图，示出了第二实施例中信号的时序；并且图4是第二实施例的更为详细的示意性图。
具体实施例方式
图1示出了伸长的标尺10，标尺读取器12可以沿着其运行。在实践中，将标尺10和标尺读取器12分别固定到机器的相关的移动部件，并且测量它们的相对移动。
标尺10包括递增式轨道10a，该递增式轨道10a包括一系列分开的标记，该标记由在标尺读取器12中的读取头或传感器1来读取。在优选的实施例中，递增式轨道的标记是磁标记，相隔例如1mm，并且读取头1是集成电路芯片指定的POT，它由本申请人RLS d.o.o.，Slovenia销售。
这个芯片从标尺标记产生原始的正弦和余弦输出(sin1，cos1)。从这些输出它可以在线A，B上产生正交方波，通过芯片中的内插可以以递增式轨道10a间距的25倍产生该正交方波。当sin1等于cos1，并且sin1和cos1都大于零时，它还在递增式轨道的每个周期产生参考脉冲Ri1。这个参考脉冲具有对应于10μm的宽度。
通过比较器50和AND门52，在每个递增式轨道周期，从读取头芯片1的输出sin1，cos1中得出附加时钟脉冲CLK。
POT芯片并入了霍耳效应传感器，以对磁标尺标记起反应。用于生成信号sin1、cos1、A、B和Ri1的技术是众所周知的，并且将不在下面描述。当然，可以使用具有其它间距的标尺。也可以使用其它磁读取头来代替POT芯片。本发明还可以应用于使用除了磁以外的技术的标尺，例如，光标尺和光电子标尺读取器。
正交的递增式信号A，B提供设备的主输出，并且被以正常方式输送到增-减计数器70，以对标尺读取器12沿着标尺10的位置计数。在实践中，通常在安装了标尺和标尺读取器的客户仪器外部提供该计数器。外部计数器70对递增式信号A，B计数，从而提供标尺读取器关于标尺的位置的指示。如下所述，如果计数因为任何原因变得不正确，则信号Ri可以对这个计数器重置。
标尺10还包括编码的参考轨道10b，其与递增式轨道10a并排。如图所示，通过并排延伸所选的递增式标记，可以很容易的实现这一点。但是，也可以提供分开的参考轨道来替代。还可以提供两个参考轨道，其对称的布置在递增式轨道10a的两个侧面中的任一个，使得在实践中可以以任何方式安装标尺。
在参考轨道10b中的磁标记形成了伪随机码(也已知为链式码序列或伪随机二进制序列)，其被选择为使得码仅以某一间隔重复。在简单的4比特实例中，可以反复使用下面的码图形...0000100110101111000...
(其中1和0表示标记的存在和不存在)在这个码中的每一连续4比特图形提供唯一的值。有十六个不同的值，如果标尺的周期是1mm，其每16mm重复如下
在实例中，通常优选的使用更长的伪随机码，例如8比特码。仅仅在每256mm重复的8比特码的合适的码图形如下...0100000011000001010000011100001001000010110000110100001111000100010011000101010001011100011001000110110001110100011111001001010010011100101011001011010010111100110011
010100110111001110110011110100111111010101011101011011010111110110111101110111111110000000...
在这个码序列中，每一连续的8比特图形提供唯一的值。这些值中前几个如下
如果需要更大的重复间隔，可以使用更长的码，例如14或15比特码。通过更长的重复间隔，用户可以具有长度更长的标尺，在其中可以选择用于参考的唯一的码值。
由在标尺读取器12中的两个读取头或传感器2、3读取编码的参考轨道10b。为了经济，这可以是和读取头1相同的POT芯片，虽然这不是必要的。虽然将会稍后理解在本实施例中使用两个读取头的原因，但也可以使用单一读取头用于参考轨道。读取头芯片1相对于读取头芯片2和3的位置应该使得在读取头2和3检测到在参考轨道10B中存在磁标记时出现时钟信号CLK。
使用来自POT芯片2、3的模拟输出。这可以是正弦或余弦信号，或者得自它们的参考信号。将来自芯片2、3的输出输送到比较器14、16，其中将它们进行方波化(square up)。这样，每一比较器14、16提供数字脉冲串，可对应于在参考轨道10b中标记的码将其表示为0和1的串。
如图1所示，将来自比较器14、16的脉冲串馈送到在双向移位寄存器18的相对端口的数据输入DSR，DSL。移位寄存器18具有和伪随机码的比特数量一样多的比特，例如，在上述实例中的4比特或8比特。通过来自比较器50和AND门52的参考脉冲，在输入CLK对移位寄存器18计时。这样，对于标尺10的每一周期，将一个新的数据比特读入移位寄存器的一个或其它端口，并且这个数据比特将对应于参考轨道10b的伪随机码的0或1。
方向检测器20接收读取头1的正交输出A，B，并且根据标尺读取器12沿着标尺10的行进方向，生成高或低的输出。将这个输出输送到方向输入SL并且(通过反相器22)到移位寄存器18的互补方向输入SR，以确定其中数据比特通过移位寄存器移位的方向。这样，当标尺读取器移向右边(如图1所示)时，由读取头3拾取来自参考轨道10b中的伪随机码的新数据值，并且将其通过输入DSL从右到左馈送入移位寄存器18。相反的，当标尺读取器12移向左边，将伪随机码的新的值通过输入DSR从左到右馈送入移位寄存器。
将标尺读取器12的读取头2、3有意隔开对应于伪随机码的一个字的距离。这样，例如，在4比特码和1mm周期标尺的情况中，读取头2、3被隔开4mm。在8比特码和1mm周期的情况中，它们被隔开8mm。
作为结果可以看出，移位寄存器18中保存的比特总是对应于在读取头2、3之间的参考轨道10b中的码比特，并且当标尺读取器12沿着标尺10移动时保持持续更新。
优选的将读取头1分隔在标尺读取器12中读取头2、3的中间。但是，这不是必要的，只要时钟脉冲CLK的相位和读取头2和3相比较是正确的，就使得由移位寄存器18正确的采样来自码轨道的脉冲。
当标尺10和标尺读取器12安装在机器上时，将伪随机码的一个特定值选择为参考值，并且如下所述的存储在存储器24中。例如，存储器24可以包括电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。比较器26持续比较移位寄存器18的输出和存储器24的输出。当将标尺读取器12移进相对于标尺10的位置使得在移位寄存器18中的值等于在存储器24中的值时，比较器26提供输出到AND门28。这里，和10μm参考脉冲Ri1进行“与”运算，生成10μm输出Ri。可以将其输送到安装了标尺和标尺读取器的机器的控制系统作为参考脉冲，例如，以重置对来自递增式轨道10a的正交信号A，B计数的外部计数器70。对于任何原因，例如，当首次打开系统时或如果来自标尺的递增式信号有电源中断或故障时，这样重置的计数器将使该计数丢失。
下面将描述将所选码值存储在存储器24中的方式。将标尺读取器12移动到标尺10上的所需位置，并且之后将输入提供到“烧制”(burn)输入30，例如，通过按压式按钮。将其通过AND门32输送到存储器24，并且使得来自移位寄存器18的当前值被通过总线34烧制进存储器24。
但是，应该理解如果刚刚打开系统，在移位寄存器18中的数据将不是有效的。标尺读取器12必须至少移动码的长度(例如，在8比特码和1mm标尺周期情况中的8mm)，以使数据变为有效。这个情况由触发器36的输出指示，该触发器在由电容电阻电路C，R启动供电的情况下进行重置。在这个情况中，它将禁止AND门32(以防止将无效的数据烧制进存储器24)和AND门28(防止无效的输出参考脉冲Ri)。
当计数器38和门40指示标尺读取器12移动了足够距离时，设置触发器36，以启动AND门32，38。通过对来自读取头1的时钟脉冲CLK计数实现这点。
在比较简单的系统中，存储器24可以是DIP开关，其具有和伪随机码的比特数量一样多的开关。之后在这些开关上手动设置参考脉冲Ri在其上生成的码值。
通过参考图2-4，下面将描述第二实施例的编码器。相比图1中的两个读取头2、3，这个实施例仅需要一个读取头或传感器用于编码的参考标记。
参考图2，标尺10可以和图1中的相同，包括具有递增式标尺标记的轨道10a，以及具有伪随机码中参考标记的轨道10b。例如，可以是先前所述的8比特码。
标尺读取器12包括用于递增式轨道的读取头或传感器，其可以和图1中的一样。它生成被输送到内插器62的原始正弦和余弦输出60(在图3中示出并且在图2中示意性的示出)。内插器生成两个数字正交信号A，B，如图2所示，其具有是原始正弦和余弦信号60的频率25倍的信号频率。因为在信号A，B的每一周期有四个零相交点，因此，有效的内插系数是100。图2给这些内插位置编上0-100的号码以便参考。
除了数字正交信号A，B，内插器62还生成数字参考标记信号Ri1。如图1所示的实施例，并且如在图3中更为详细的示出的，在正弦和余弦信号相等并且是正的(波形的45度位置)时，在每个正弦和余弦信号60的周期生成信号Ri1。
标尺读取器12还包括用于码轨道10b的传感器4。其生成模拟的码信号64，该码信号64通过比较器66被方波化为数字码信号68。
如图1的实施例所示，传感器4可以和传感器1相同，但这不是必要的。
在图3中，示出了对于在码轨道10b中码值等于1的位置上数字码信号68。应该理解如果码值是0，那么码信号68将是零。
图4示出了用于从如图2和3所示的多种信号生成输出参考标记信号Ri的电路。在沿着标尺10的位置产生这个参考标记信号Ri，该标尺10可由客户或用户可以根据自己的意愿进行选择。在实践中，将数字正交信号A，B和可选择的参考标记信号Ri都输送到在图4中示为70的外部计数器，但是在实践中通常将其提供在安装了标尺和标尺读取器的客户仪器上。外部计数器70对递增式信号A，B计数，以提供标尺读取器相对于标尺的位置的指示。当接收到参考标记信号Ri时，将计数器70重置到零或另一预先设置的值。
除这个外部计数器70外，图4的电路包括接收图2和3的信号A、B及Ri1的第一计数器。这个计数器对多达100的值进行计数。它还确定标尺读取器沿着标尺行进的方向，在线74上提供方向信号。当信号Ri1出现时，将计数器72的状态设置到从选择器电路76接收的100或0的值。选择器76根据在线74上指示的行进方向来选择是100或0的值。
这样，根据为图3的数字正交信号A，B指示的100个内插值，计数器72输出在正弦和余弦信号60的一个周期中的位置的指示。
第一计数器72的输出用来产生图3中所示的时钟信号CLK。这个时钟信号用来采样数字码信号68。应该在对于读取来自码轨道10b的信息最可靠周期中的位置上产生时钟信号。因为它取决于传感器1，4相对彼此的位置，因此这需要通过实验的方式确定。在本实例中，使用在周期中的73号内插位置。因此，将值73预先设置进码位置电路78。数字比较器80比较计数器72的输出和来自码位置电路78的值，当它们相等时产生时钟信号Clk。
将从码轨道10b读取的伪随机码的值68从比较器66(图2)馈送入双向移位寄存器82。该移位寄存器的大小是码大小的两倍，也就是，在本实例的8比特伪随机码的情况中是16比特。将伪随机码图形68同时馈送到移位寄存器的两个端口，在输入DL和DR。但是，这些中的哪个是有效的用于装载图形取决于在线74上指示的行进方向，该行进方向控制移位寄存器的移位方向。在时钟信号Clk的每一脉冲，将来自码图形的新的值装载到移位寄存器的一个或其它端口，并且根据具体情况，将剩余的图形向左或向右移位。
应该认可，因为仅有一个传感器4用于码图形，并且因为根据行进的方向将其馈送入移位寄存器的任一端口，因此移位寄存器的下半部分或上半部分都可能包括表示码轨道图形的有效数据。这样，为了随后处理的目的，将移位寄存器认为是两个分开的部分，S1和S2。在图4中将它们示为分开的框，但是应该认可这仅仅是为了下面描述的方便。框S1表示移位寄存器的最低8比特(在下面作为B0-B7提到)，其在当标尺读取器向右移动时使用。框S2表示来自移位寄存器82上部的8比特数据，其在当标尺读取器向左移动时使用。但是，它不是最上面的8比特，而是从与右边相隔一比特的位置取得的(即，B7-B14而不是B8到B15)。这用于补偿当进行方向改变时引起的一个位置(一比特)的滞后。
另一个计数器84用于确定在移位寄存器82的两个二分之一部分中数据的有效性。计数器84对时钟信号Clk的脉冲计数。其在最大值8和最小值-8之间增加和减小地进行计数，并且它从指示行进方向的线74接收输入。在增加计数到最大值8之后，下一个时钟脉冲使得它滚动到-8(反之亦然，如果行进方向相反的话)。
在打开电源的情况下，在计数器72，84和移位寄存器82中的所有数据是零。首先，必须在第一计数器72和递增式标尺轨道10a之间建立同步。禁用计数器72直到检测到第一脉冲Ri1，其之后启动那个计数器。在打开电源之后，在启动接下来的动作之前，标尺读取器12必须在两个方向之一移动16mm。这保证了移位寄存器82填充有数据。
如图1的实施例所示，将由客户或用户选择的用于参考标记位置的码值存储在EEPROM中。就像移位寄存器82一样，这应该是码值大小的两倍，并且认为将其分为两个二分之一部分D1和D2。D1包括码图形的上面8比特B8-B15，而且D2包括下面8比特B0-B7。应该理解为了经济，单一的EEPROM将包括两个二分之一部分D1和D2，但是如果需要的话，它们也可以是分开的。
客户或用户在EEPROM D1，D2中存储参考标记的方式如下。
在框86中指示计数器84的输出，并且为了在EEPROM D1，D2中存储码值的目的，仅认为计数器84的输出值8或-8是有效的。为了存储用于所选的参考标记的值，客户首先将标尺读取器12移动到标尺10上的所需位置。他之后提供在线90上的输入，例如使用按压按钮。通过在两个方向之一连续移动标尺读取器至少16mm，之后门88在计数器84的输出86具有8或-8的值时，启动到EEPROM D1，D2的预先设置的输入。之后将移位寄存器82的整个内容传送进EEPROM D1，D2的相应比特。
在正常使用编码器的过程中，每次当以两个行进方向之一通过所选参考标记位置时都需要提供输出Ri。计数器84的输出94指示存储在计数器中的值(如指示的是86)是正的(大于或等于零)还是负的(小于零)。这个输出94用来启动和禁用选通电路92，从而选择比较器Comp1或Comp2的任一输出。Comp1比较EEPROM数据D2和移位寄存器数据S1，而且Comp2比较EEPROM数据D1和移位寄存器数据S2。当启动的比较器Comp1或Comp2指示实现匹配时(也就是，标尺读取器12在所选参考标记的位置)，则产生输出信号Ri。在门96对信号Ri1进行选通，从而保证如图1所示的10微米的一致脉冲宽度。
参考值的实际位置将是从当存储在EEPROM D1，D2中时的位置往回8mm(也就是，以1mm为间距的8比特)。原因如下。我们仅使用一个传感器来读取参考码轨道，并且EEPROM存储参考码长度两倍的值。当操作系统时，在存储数据时将移位寄存器的上面部分和从移位寄存器的下面部分接收的EEPROM数据比较(并且反之亦然)。参考标记位置的上述移位作为结果出现。
通过8比特码和1mm间距的实例，可以在256mm标尺中设置唯一的参考标记。具有较大比特数量的码可以用来在较长长度的标尺中提供唯一的参考标记。
所述系统的一个特别的优点是，客户可以在标尺上任何所需位置的非�？拷木嗬胫醒≡癫慰急昙�。相对于现有技术的系统这是一个显著的改进，例如，在现有技术中向每一参考标记提供有唯一可选择距离码的类型，但是不幸的是该距离码要占据码轨道上的空间。仅仅通过按压按钮，可以完全电子化的做出参考标记的选择，而不需要建立机械的部分。另外，因为仅在每256mm(例如)上重复参考码，因此可以提供一直到256mm长度的任意长度的标尺。这些作为由很多米长的、提供为卷带型标尺的标尺所要求的而被切除，而不会有大量无用的边角料。
例如，还可以提供具有更多比特的码，从而参考码在32米之内从不重复。这样可以切除任何所需长度，从非常小的长度一直到整整32米长的长度。
除了上述的磁类型，本发明可用于其它类型的标尺。例如，在具有比1mm小得多的间距的光标尺中，可能需要使用具有更多比特的码，来保证在标尺的合理长度内参考标记码是唯一的。但是还可以在标尺任何所需位置的非�？拷木嗬胫醒≡癫慰急昙�。也可以有混合的系统，其中递增式轨道是光学的(为了高的分辨率和精确性)，并且提供参考标记为如上所述的磁的。或者是另一混合系统，其具有由激光烧蚀生成的光学递增式轨道，同时参考码轨道由另一光学技术生成。
所述系统的延伸将允许在沿着标尺的不同位置处有多个可编程的参考标记。这仅仅需要相应数量的、用于要被编程标记的存储器以用于比较每一移位寄存器中图形值的比较器。一个应用是具有两个或更多限制标记的系统。可以将没有递增式轨道的系统用于可编程的安全系统。
虽然使用线性标尺作为实例描述本发明，但是本发明也可以在旋转编码器的码盘中使用，以用于测量完整的旋转或用在测量部分弧度的系统中。
也可以使用没有移位寄存器的系统。例如，可以由线照相机来读取码图形，该线照相机将多个码图形比特成像在传感器元件的阵列上。
权利要求
1.一种包括标尺和标尺读取器的编码器；标尺具有在长度方向上隔开的多个参考标记；标尺读取器包括读取该参考标记的传感器；其特征在于以随机或伪随机图形沿着标尺布置该参考标记；当标尺读取器在参考标记的图形上移动时，连续比较该图形和先前存储的图形；以及当该参考标记的图形和先前存储的图形匹配时，输出参考信号。
2.一种包括标尺和标尺读取器的编码器；标尺具有一系列沿着其长度延伸的递增式标记，以及在长度方向上隔开的多个参考标记；标尺读取器包括一个或多个传感器，其读取该递增式标记并且从其中生成输出，并且其读取该参考标记；其特征在于以随机或伪随机图形沿着标尺布置该参考标记；当标尺读取器在该参考标记的图形上移动时，连续比较该图形和先前存储的图形；以及当该参考标记的图形和先前存储的图形匹配时，输出参考信号。
3.如权利要求1或权利要求2所述的编码器，包括指示读取头沿着标尺的位置的计数器，所述参考信号连接至计数器的输入连接，以将计数器重置到预先设置的值。
4.如任何一个先前的权利要求所述的编码器，包括移位寄存器，其中当标尺读取器经过参考标记时，将表示参考标记图形的值读入该移位寄存器，并且将在该移位寄存器中的图形和先前存储的图形进行比较。
5.如权利要求4所述的编码器，其中将所述值引入移位寄存器的一个端口，并且随着标尺读取器经过参考标记，可以沿着移位寄存器同步地将所述值移位。
6.如权利要求4或权利要求5所述的编码器，其中根据标尺读取器沿着标尺的行进方向，将所述值引入移位寄存器的两个端口之一。
7.如任何一个先前的权利要求所述的编码器，包括用于保存所述先前存储图形的存储器，以及比较来自标尺的参考标记的图形和在存储器中的先前存储图形的比较器。
8.如权利要求7所述的编码器，包括到用于在其中存储所述存储图形的存储器的输入，当标尺读取器经过参考标记时从标尺读取器接收图形。
9.如权利要求4到6中任何一个所述的编码器，包括用于保存所述先前存储图形的存储器，以及比较在移位寄存器中参考标记图形和在存储器中的先前存储图形的比较器。
10.如权利要求9所述的编码器，包括到用于在其中存储所述存储图形的存储器的输入，该图形是从移位寄存器接收。
11.如权利要求10所述的编码器，包括用于确定在移位寄存器中图形有效性的电路，并且防止在如果所述输入是无效时将其存储在存储器中。
全文摘要
标尺(10)具有在轨道(10a)中的磁递增式标尺标记，以及在参考标记轨道(10b)中的伪随机码序列。传感器(2，3)将在轨道(10b)中的码图形馈送入双向移位寄存器(18)。使得用户可以选择任何所需位置用作参考标记，提供了存储器(24)，可以将任何所选的码值预先存储在其中。之后比较器(26)比较在移位寄存器(18)中的码值和在存储器中的码值，并且当它们匹配时输出参考标记信号(Ri)。
文档编号G01D5/249GK1615427SQ03802137
公开日2005年5月11日 申请日期2003年1月13日 优先权日2002年1月11日
发明者哈内斯·诺瓦克, 格雷戈尔·多尔萨克 申请人:Rls梅里那技术公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
