CN105702016B - 用于校验位置测量装置的工作时钟信号的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于校验位置测量装置的工作时钟信号的装置和方法，位置测量装置通过数据传输信道与跟随电子设备连接，并且数据传输信道具有数据线路，通过数据线路可将数据信号从位置测量装置的接口单元传输给跟随电子设备的接口单元，其中‑位置测量装置的接口单元包括脉冲生成单元，利用该脉冲生成单元基于工作时钟信号(CLK)的时间栅格可生成测试脉冲并且可将其通过数据线路传输给跟随电子设备的接口单元，并且‑跟随电子设备的接口单元包括脉冲测量单元，利用该脉冲测量单元可在跟随电子设备的工作时钟信号(ACLK)的时间栅格内在功能上可靠地测量测试脉冲的脉冲持续时间(tm)，并且可将代表脉冲持续时间(tm)的测量值输出给控制单元以进行评估。

Description

用于校验位置测量装置的工作时钟信号的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于校验位置测量装置的工作时钟信号的装置以及根据权利要求7所述的用于校验位置测量装置的工作时钟信号的方法。

背景技术

位置测量装置的广泛传播的应用领域是数控机床。它们在此用于确定实际位置值，跟随电子设备（Folgeelektronik）(例如数控***)需要该实际位置值，以计算用于调节回路的额定值，利用该额定值控制工具或工件的进给。为此，旋转编码器或角度测量装置例如直接或间接与马达的轴耦联，长度测量装置例如与可移动的工具滑架耦联。

现代的位置测量装置产生数字的绝对测量值。在此，不仅可涉及位置值，而且涉及从位置值的时间变化导出的测量值，例如速度值或加速度值。此外，已知这样的位置测量装置，其附加地确定布置在位置测量装置之内或之外的传感器(例如温度传感器或振动传感器)的测量值。测量值从位置测量装置传输给跟随电子设备通过数字的数据传输接口实现。在此，文献EP0660209A1提到了用于带有数字的数据传输接口的这种类型的位置测量装置的示例。为了提供必需的功能-探测位置信号、将位置信号处理成数字的位置值或从中导出的测量值、与跟随电子设备通信–需要昂贵的模拟和数字的转换块(Schaltungsblock)。

在位置测量装置中的中央单元是时钟发生器，其产生工作时钟信号，该工作时钟信号用作用于位置测量装置的很多功能块(例如A/D转换器、状态机、数字的数据传输接口或必要时微处理器或控制器)的时基，该功能块作为中央处理单元的组成部分。由于故障，工作时钟信号的频率发生变化，因此可发生功能块在其规格之外运行，这又可导致测量错误、偶尔的停止运转等。

一些如此招致的错误-尤其当其引起错误的测量值时-不可在跟随电子设备中识别出。在不利的情况下例如可由此在机床中使得正在加工中的工件不可用，或甚至机床受到损害。比起可出现的材料损失还要更糟的是，操作人员的受伤风险。因此，重要的是，保证时钟发生器的规定的功能。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于监测位置测量装置的工作时钟信号的装置。

该目的通过根据权利要求1所述的装置实现。此类装置的有利的细节由从属于权利要求1的权利要求得到。

提出了一种用于监测位置测量装置的工作时钟信号的装置，在其中位置测量装置通过数据传输信道与跟随电子设备连接，并且数据传输信道具有数据线路，通过数据线路可将数据信号从位置测量装置的接口单元传输给跟随电子设备的接口单元。位置测量装置的接口单元包括脉冲生成单元，利用该脉冲生成单元基于工作时钟信号的时间栅格(Zeitraster)可生成测试脉冲并且可将其通过数据线路传输给跟随电子设备的接口单元。跟随电子设备的接口单元包括脉冲测量单元，利用脉冲测量单元可在跟随电子设备的工作时钟信号的时间栅格内在功能上可靠地测量测试脉冲的脉冲持续时间并且可将代表脉冲持续时间的测量值输出给控制单元以进行评估。

此外，本发明的目的是提供一种用于监测位置测量装置的工作时钟信号的方法。

该目的通过根据权利要求7所述的方法实现。由从属于权利要求7的权利要求得到方法的有利的细节。

现在提出了一种用于监测位置测量装置的工作时钟信号的方法，位置测量装置通过数据传输信道与跟随电子设备连接，并且数据传输信道具有数据线路，通过数据线路可将数据信号从位置测量装置的接口单元传输给跟随电子设备的接口单元，其中

-位置测量装置的接口单元包括脉冲生成单元，利用该脉冲生成单元基于工作时钟信号的时间栅格生成测试脉冲，并且测试脉冲通过数据线路传输给跟随电子设备的接口单元以及

-跟随电子设备的接口单元包括脉冲测量单元，利用脉冲测量单元在跟随电子设备的工作时钟信号时间栅格内在功能上可靠地测量测试脉冲的脉冲持续时间，并且将代表脉冲持续时间的测量值输出给控制单元以进行评估。

附图说明

由随后的说明借助附图得到本发明的其他的优点以及细节。其中：

图1显示了通过数据传输信道彼此连接的位置测量装置和跟随电子设备的框图，

图2显示了脉冲生成单元，

图3显示了在主从架构中的指令周期的信号图，

图4显示了脉冲测量单元的第一实施例，

图5显示了脉冲测量单元的另一实施例，

图6显示了脉冲测量单元的另一实施例，并且

图7显示了脉冲测量单元的另一实施例。

具体实施方式

图1显示了位置测量装置10和跟随电子设备100的框图，它们通过数据传输信道60彼此连接。在此，位置测量装置10和跟随电子设备100代表性地代表自动化技术的设备。

位置测量装置10具有呈位置探测单元20和可选的处理单元30的形式的测量装置组件。位置探测单元20合适地设计成产生数字的位置值。其为此例如包括带有测量刻度的测度实体(Maßverkörperung)、用于其扫描的扫描单元、以及用于由扫描单元的扫描信号(其通过扫描测量刻度生成)形成数字的位置值的信号处理电子设备。测度实体和扫描单元以已知的方式可相对彼此运动地布置并且机械地与机器部件连接，其彼此的位置应进行测量。如果位置测量装置10为旋转编码器（应利用其测量电动马达的轴的角位置），则扫描单元(更确切地说旋转编码器的壳体)例如安装在马达壳体处并且旋转编码器的轴(其与测度实体不可相对转动地连接)通过轴耦联器与待测量的马达轴连接。

尤其为了为数字的电路部分提供时基或限定的时间栅格，在位置测量装置10中还布置有时钟发生器35。时钟发生器提供至少一个工作时钟信号CLK，其被输送给数字的状态机、微处理器、微控制器等。

位置探测单元20基于的物理的扫描原理对本发明不重要。因此，可涉及光学的、磁的、电容的或电感的扫描原理。根据需要的必需的处理步骤，以便将扫描单元的扫描信号处理成位置值，信号处理电子设备包括功能单元，其实施处理步骤，例如增益、信号校正(偏移校正、振幅校正、相位校正)、插值、子周期计数、A/D转换…。

为了在位置探测单元20和处理单元30之间传输控制信号和/或数据，设置有合适的信号线路。它尤其用于将在位置探测单元20中生成的位置值传输给处理单元30。

在处理单元30中必要时进一步处理位置值，以便获得输出数据。为此可需要处理步骤，例如按比例缩放、改变数据格式、误差校正等等，其在处理单元30中仅仅数字地实施。但输出数据不仅可为位置值，而且可为速度值或加速度值，其在处理单元30中由多个相继产生的位置值算出。

为了一方面与跟随电子设备100且另一方面与测量装置组件20、30通信，在位置测量装置10中还布置有接口单元40。尤其通过接口单元40将输出数据传输给跟随电子设备100。输出数据通过合适的信号线路从处理单元30或位置探测单元20传输给接口单元40。还将时钟信号输送给接口单元40，时钟信号用作用于接口单元的内部的过程的时基。在此，可涉及工作时钟信号CLK。

用于在位置测量装置10的接口单元40和跟随电子设备100的对应的接口单元140之间传输指令和数据的物理连接通过数据传输信道60建立，其在该实施例中包括双向实施的数据线路61和时钟线路62。通过时钟线路62将接口时钟信号从跟随电子设备100传输至位置测量装置10，接口时钟信号使在数据线路61上的数据传输同步。此类布置方案例如从EP0660209A1中已知。

备选地，还可设置两个单向运行的数据线路。本发明的前提仅仅是，可通过数据线路61将数据信号从位置测量装置10传输给跟随电子设备100。传输例如可以数据帧的形式进行。

数据信号的物理传输可差分地例如根据广泛传播的RS-485标准进行。在这种情况下，可为数据线路61和时钟线路62分别设置线路对(Leitungspaare)。在接口单元40、140中，从单端(single-ended)信号产生用于传输的差分信号，或从到达的差分信号又为了进一步的处理获得单端信号。为此存在合适的发送和接受模块。线路必要时与用于位置测量装置的供电的其他线路一起布置在接口电缆中。

备选地，信号传输还可以光学途径例如通过光纤实现。

在跟随电子设备100中的顺序由内部的控制单元110控制。如果跟随电子设备100为数控***或自动化技术的其他的控制器，则控制单元110通过接口单元140例如连续地需要位置测量装置10的位置值，以获得对于调节回路所需的实际位置值（实际位点值），以便例如通过驱动器精确地定位机器的机械组件(伺服驱动)。

在跟随电子设备100中也布置有时钟发生器120，其生成工作时钟信号ACLK，该工作时钟信号被输送给控制单元110和接口单元140以形成时基或时间栅格。

现在在位置测量装置10的接口单元40中也布置有脉冲生成单元50。利用其可产生测试脉冲220，测试脉冲具有脉冲持续时间tm并且在使用位置测量装置10的工作时钟信号CLK的情况下生成。因此，位置测量装置10的工作时钟信号CLK的时间栅格形成测试脉冲220的基础。测试脉冲220可通过数据线路61传输给跟随电子设备100。在此，测量在功能上可靠地实施的脉冲测量单元150(其布置中接口单元140中)测试脉冲220的脉冲持续时间tm并且将代表测试脉冲220的脉冲持续时间tm的至少一个测量值输出给控制单元110以进行评估。脉冲持续时间tm的测量以跟随电子设备100的工作时钟信号ACLK的时间栅格为基础。

在功能上可靠地设计脉冲测量单元150通过使用时间测量单元(其生成超越地变化的测量结果和/或通过使用多个时间测量单元生成冗余的测量结果)实现。通过在功能上可靠地设计脉冲测量单元150实现脉冲测量单元150的故障不可引起位置测量装置10的工作时钟信号CLK的监测失效并且例如输出脉冲持续时间tm的有效的测量值，即使由于缺陷完全不再发生测量。

现在应借助图2和图3进一步阐述测试脉冲220的产生，其中，图2示出了脉冲生成单元50的一种实施方式，并且图3示出了用于在位置测量装置10和跟随电子设备100之间的典型的数据交换的自动化技术的信号图，其扩展成传输测试脉冲220。

为脉冲生成单元50输送位置测量装置10的工作时钟信号CLK以及触发信号TR。如上面已经阐述的那样，工作时钟信号CLK形成时间栅格，基于其进行位置测量装置10、尤其在位置探测单元20中、处理单元30和必要时还在接口单元40中的功能。在此应指出的是，在位置测量装置中还可使用不同频率的多个时钟信号。其通常由通过时钟发生器35产生的唯一的时钟信号导出。用于在实施例中的工作时钟信号CLK代表性地表示待检测的时钟信号。

触发信号TR在接口单元40中产生并且确定测试脉冲220的起动时刻START，其通过数据线路61输出给跟随电子设备100。脉冲持续时间tm在使用工作时钟信号CLK的情况下固定。有利地，脉冲生成单元50基于数字的计数器，其计数步骤由工作时钟信号CLK引起。触发信号TR的到达一方面引起开始输出测试脉冲220并且另一方面引起开始计数过程。如果计数器在期望的脉冲持续时间tm进行至停止时刻STOP之后到达显得的数值，则结束测试脉冲220的输出，并且计数器被再次重新设定。为了取得限定的数值，可设置比较模块。

在图3中示出的信号图示出了在主从架构中的典型的指令周期，在其中跟随电子设备100为主，而位置测量装置10为从。在此类架构中，所有的数据传输由Master初始化。在示例中，跟随电子设备100发送命令数据帧200(例如具有位置要求命令)给位置测量装置10，其对此以响应数据帧210(具有要求的位置值)回应。因为数据线路61双向地运行，所以在命令数据帧200和响应数据帧210之间发生数据方向的转换。数据传输在响应数据帧210之后尚未结束，而是与带有脉冲持续时间tm的测试脉冲220相关，其通过起动事件START和停止事件STOP限制。在传输测试脉冲220之后，数据线路61在一定的时间之后切换成高阻抗(切断在位置测量装置10中的数据驱动器，通过中间的信号电势示出)，从而跟随电子设备100可重新发送命令数据帧200。

不同于该示例，测试脉冲220也可单独地、代替响应数据帧210(例如出于响应跟随电子设备100的相应的命令)在响应数据帧210之前、在两个响应数据帧210之间或与响应数据帧210在时间上间隔开地发送。

在图3中未示出在时钟线路62上的接口时钟信号，利用其同步数据帧200、210的传输。总的来说，信号图仅可示意性地来考虑，信号电平、持续时间等任意地选择并且在实现本发明的情况下取决于物理的传输原理。

因为位置测量装置10的工作时钟信号CLK的干扰(例如静态或动态的频率变化、有缺陷的时钟脉冲、短的干扰脉冲...)不一定引起生成测量值失效或至跟随电子设备100的数据传输失效，所以可靠地评估接收的测试脉冲220对于用于应用的***位置测量装置10跟随电子设备100的能力是决定性的，其对功能可靠性提出了很高的要求。脉冲测量单元的仅仅很难发现的故障是，测量值不再变化。该错误模式可由于有缺陷的用于时间测量的计数器引起，此时计数器在输出部始终输出相同的值，因此，测量值“被冻结”。该错误例如还可由与有缺陷的寄存器模块产生。在这种情况下，工作时钟信号CLK的监测未受到注意地已经无效。因此，根据本发明，脉冲测量单元在功能上可靠地涉及。

图4至图7显示了用于脉冲测量单元的实施例。它可相应代替脉冲测量单元150用于图1。

图4显示了脉冲测量单元250的第一实施方式。它包括起动/停止单元252、第一时间测量单元254和第二时间测量单元256。

为起动/停止单元252输送数据线路61的数据信号。它合适地设计成取决于起动事件START和停止事件STOP将起动信号ST和停止信号SP输出给时间测量单元254、256。

如在图3中示出的那样，作为起动事件START可限则切断接收响应数据帧210，特征在于响应数据帧210的最后的信号边沿，或在接口单元140中到达/探测到响应数据帧210的最后的位(数据传输的停止位)。关于结束响应数据帧210的接收的信息可为接口单元140的起动/停止单元发送信号，其评估从位置测量装置10到达的数据帧。在所选择的示例中，停止事件STOP为紧接着跟随起动事件START的信号边沿。

可为起动/停止单元252输送跟随电子设备100的工作时钟信号ACLK，例如以在工作时钟信号ACLK的时间栅格内扫描到达的信号并且因此探测电平变化(信号边沿)。

为了完整起见，应指出的是，在跟随电子设备100中还可存在多个时钟信号，或者由主时钟信号导出，或彼此独立地产生。工作时钟信号ACLK代表性地表示这样的时钟信号，其适合于测量测试脉冲220的持续时间。

工作时钟信号ACLK还输送给时间测量单元254、256并且用作用于时间测量的时基。在起动信号ST到达之后，时间测量单元254、256开始时间测量，停止信号SP的到达结束时间测量。测量的结果是测量值T1、T2，其代表测试脉冲220的脉冲持续时间并且为了评价位置测量装置10的工作时钟信号CLK的功能而被输出给控制单元110输出。紧接着，时间测量单元254、256通过复位信号RES重新设定。

时间测量单元254、256例如可作为计数器实现，其数值在跟随电子设备100的工作时钟信号ACLK的时间栅格中从起动信号ST的到达时刻最高计数至停止信号SP的到达时刻。计数器值(测量值T1、T2)此时近似相应于(带有工作时钟信号ACLK的时间栅格的时间上的分辨率)测试脉冲220的脉冲持续时间tm。

该解决方案实现了很大程度上的功能可靠性，因为提供了用于评估的两个冗余产生的测量值T1、T2。

图5示出了脉冲测量单元的另一实施例350。其除了起动/停止单元352、第一时间测量单元354和第二时间测量单元356之外还包括乘法器358。

起动/停止单元352的功能相应于之前实施例的起动/停止单元252的功能。

现在将由时间测量单元354、356测量的测量值T1、T2输送给乘法器358，并且控制单元110可借助于选择信号SEL相应选择用于评估的测量值T1、T2中的一个。

该解决方案相对于上述说明的实施例具有的优点是，用于将测量值T1、T2输出给控制单元110必需的连接线路的数量可减半。而仅需要用于选择信号SEL的新的控制线路。在持续的运行中，如果例如跟随电子设备连续在短的时间间隔内相继请求位置测量装置10的位置值，同样可足够的是，每次传输响应数据帧210，交替地仅评估测量值T1、T2中的一个。这附加地降低了用于评估的计算消耗。在一种变体方案中，控制线路还SEL可在脉冲测量单元350中产生，从而自动交替地仅将测量值T1、T2中的一个为了评估而输出给控制单元110。

在不可能的、但理论上可能的情况下，即，选择信号SEL失效且总是相同的测量值T1、T2仅输出给时间测量单元354、356中的一个并进行评估，又得到上面已经说明的问题：在获得其用于评估的测量值的时间测量单元354、356“冻结”时，又不可能注意到错误。位置测量装置的工作时钟信号CLK的监测失效。

为了还可识别出极度不可能的故障情况，时间测量单元354、356设计成使得第一时间测量单元354具有不同于第二时间测量单元356的测量特性，并且由此测量值T1、T2彼此不同。对此的一些示例是：

-使用的计数器不同的计数方向，

-测量值T1、T2的不同的编码，

-在测量值T1、T2之间的已知的数学关系(例如偏差)。

由此实现两个时间测量单元354、356的测量值T1、T2可靠地彼此不同。由于每个时间测量单元354、356的已知的测量特性而可在控制单元110中由测量值T1、T2再次推出测试脉冲220的测得的持续时间tm。时间测量单元354、356的“冻结”可可靠地被识别出来。

通过使用具有不同的计数特性的时间测量单元还可更进一步提高上述实施例的脉冲测量单元250的功能可靠性。

图6示出了脉冲测量单元450的另一实施例。它包括相对于上述实施例没有改变的起动/停止单元452以及时间测量单元455。

时间测量单元455如此设计，即，其产生超越地变化的测量值T。换言之，如此预防测量值或时间测量单元455的未注意到的“冻结”，即，代表测试脉冲220的脉冲持续时间tm的测量值T在每次测量时强制改变。可由此实现，时间测量单元455设计成使得其测量特性可变。因此，例如在时间测量单元455中执行时间测量的计数器的计数方向可受控地由控制单元110通过方向信号DIR或自动地在每次测量之后进行转换。为此，备选方案是：

-相继的测量值T的编码的改变，或

-在相继的测量值T之间的数学关系(例如偏差)的改变。

代表测试脉冲220的脉冲持续时间tm的测量值T再次输送给控制单元110以进行评估。在此也可设置复位信号RES以用于计数器的重新设定。

因此，该变体方案特别有利，因为其在时间测量单元455的不重要的更复杂的构造的情况下以非常少的功能单元也能应付。

图7示出了脉冲测量单元550的最后的实施例。它同样包括没有改变的起动/停止单元552和时间测量单元555。

如在上述实施例中那样，时间测量单元555基于测量值T在每次测量时超越地改变。然而这在此由此实现，即，时间测量单元555具有比用于测量测试脉冲220需要的测量范围更大的测量范围。有利地，利用时间测量单元555可相继测量多个测试脉冲220，并且时间测量单元555在测量范围溢出时再次在零的情况下开始测量。这引起在时间测量单元555中的相继的测量被合计。在考虑到可能的溢出的情况下，控制单元110可在使用在上述测量时获得的测量值确定和评估测试脉冲220的实际测量的脉冲持续时间tm。时间测量单元555的“冻结”也可在该实施例中可靠地识别出来。

可取消到脉冲测量单元550处的控制单元110的控制信号DIR、RES、SEL。

显然，在权利要求的范围中还可实现脉冲测量单元的其他的实施方式。

Claims (9)

1.一种用于监测位置测量装置(10)的工作时钟信号的装置，该位置测量装置通过数据传输信道(60)与跟随电子设备(100)连接，并且所述数据传输信道(60)具有数据线路(61)，通过该数据线路能将数据信号从所述位置测量装置(10)的接口单元传输给所述跟随电子设备(100)的接口单元，其中

-所述位置测量装置(10)的接口单元包括脉冲生成单元(50)，利用该脉冲生成单元基于所述工作时钟信号的时间栅格能生成测试脉冲(220)，并且所述测试脉冲(220)能通过数据线路(61)传输给所述跟随电子设备(100)的接口单元，并且

-所述跟随电子设备(100)的接口单元包括脉冲测量单元(150, 250, 350, 450,550)，利用该脉冲测量单元能在所述跟随电子设备(100)的工作时钟信号的时间栅格内在功能上可靠地测量所述测试脉冲(220)的脉冲持续时间，并且能将代表所述脉冲持续时间的测量值输出给控制单元(110)以进行评估，其中，所述脉冲测量单元包括第一时间测量单元(254, 354)和第二时间测量单元(256, 356)，能用于生成代表所述测试脉冲(220)的持续时间的冗余的测量值。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲测量单元(150, 250, 350, 450, 550)包括起动/停止单元，其合适地设计成根据限制所述测试脉冲(220)的起动事件和停止事件将起动信号和停止信号输出给至少一个时间测量单元。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一时间测量单元(254, 354)具有不同于第二时间测量单元(256, 356)的测量特性。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述脉冲测量单元包括乘法器(358)，为该乘法器输送所述测量值，并且能利用该乘法器选择是将所述第一测量值或是将所述第二测量值输出给所述控制单元(110)。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述脉冲测量单元包括第三时间测量单元(455, 555)，其生成代表所述测试脉冲(220)的持续时间的超越地变化的测量值。

6.一种用于监测位置测量装置(10)的工作时钟信号的方法，该位置测量装置通过数据传输信道(60)与跟随电子设备(100)连接，并且所述数据传输信道(60)具有数据线路(61)，通过该数据线路能将数据信号从所述位置测量装置(10)的接口单元传输给所述跟随电子设备(100)的接口单元，其中

-所述位置测量装置(10)的接口单元包括脉冲生成单元(50)，利用该脉冲生成单元基于所述工作时钟信号的时间栅格生成测试脉冲(220)，并且将所述测试脉冲(220)通过所述数据线路(61)传输给所述跟随电子设备(100)的接口单元，并且

-所述跟随电子设备(100)的接口单元包括脉冲测量单元(150, 250, 350, 450,550)，利用该脉冲测量单元在所述跟随电子设备(100)的工作时钟信号的时间栅格内在功能上可靠地测量所述测试脉冲(220)的脉冲持续时间，并且将代表所述脉冲持续时间的测量值输出给控制单元(110)以进行评估，其中，所述脉冲测量单元包括第一时间测量单元(254, 354)和第二时间测量单元(256, 356)，用于生成代表所述测试脉冲(220)的持续时间的冗余的测量值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述脉冲测量单元(150, 250, 350, 450, 550)包括起动/停止单元，其根据限制所述测试脉冲(220)的起动事件和停止事件将起动信号和停止信号输出给至少一个时间测量单元。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一时间测量单元(254, 354)具有不同于所述第二时间测量单元(256, 356)的测量特性。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述脉冲测量单元包括第三时间测量单元(455, 555)，其生成代表所述测试脉冲(220)的持续时间的超越地变化的测量值。

Images