絕對(duì)式光電編碼器基本構(gòu)造及特點(diǎn)

用增量式光電編碼器有可能由于外界的干擾產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，并且在停電或故障停車(chē)后無(wú)
法找到事故前執(zhí)行部件的正確位置。采用絕對(duì)式光電編碼器可以避免上述缺點(diǎn)。絕對(duì)式光電
編碼器的基本原理及組成部件與增量式光電編碼器基本相同，也是由光源、碼盤(pán)、檢測(cè)光柵、
光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成。與增量式光電編碼器不同的是，絕對(duì)式光電編碼器用不同的
數(shù)碼來(lái)分別指示每個(gè)不同的增量位置，它是一種直接輸出數(shù)字量的傳感器。在它的圓形碼盤(pán)
上沿徑向有若干同心碼道，每條上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目
是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)
應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)
的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出
一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N 位
二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有N 條碼道。絕對(duì)式光電編碼器原理如圖1-8 所示。

絕對(duì)式光電編碼器是利用自然二進(jìn)制、循環(huán)二進(jìn)制（格雷碼）、二-十進(jìn)制等方式進(jìn)行光
電轉(zhuǎn)換的。絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器不同之處在于圓盤(pán)上透光、不透光的線條
圖形，絕對(duì)光電編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤(pán)上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。它的特點(diǎn)是：
可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；沒(méi)有累積誤差；電源切除后位置信息不會(huì)丟失；編碼器的
精度取決于位數(shù)；最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度比增量式光電編碼器高。

圖1-8 絕對(duì)式光電編碼器原理

1.3.2 碼制與碼盤(pán)
絕對(duì)式光電編碼器的碼盤(pán)按照其所用的碼制可以分為：二進(jìn)制碼、循環(huán)碼（格雷碼）、
十進(jìn)制碼、六十進(jìn)制碼（度、分、秒進(jìn)制）碼盤(pán)等。四位二元碼盤(pán)（二進(jìn)制、格雷碼）如圖
1-9 所示。圖中黑、白色分別表示透光、不透光區(qū)域。

圖 1-9 四位二元碼盤(pán)
圖 1-9（a）是一個(gè)四位二進(jìn)制碼盤(pán)，它的最里圈碼道為第一碼道，半圈透光半圈不透光，
對(duì)應(yīng)于最高位C1，最外圈為第n 碼道，共分成2n 個(gè)亮暗間隔，對(duì)應(yīng)于最低位Cn，n 位二元
碼盤(pán)最小分辨率為：

二進(jìn)制馬盤(pán)的缺點(diǎn)是：每個(gè)碼道的黑白分界線總有一半與相鄰內(nèi)圈碼道的黑白分界線是
對(duì)齊的，這樣就會(huì)因黑白分界線刻畫(huà)不精確造成粗誤差。采用其他的有權(quán)編碼時(shí)也存在類(lèi)似
的問(wèn)題。圖1-10 是一個(gè)四位二進(jìn)制碼盤(pán)展開(kāi)圖，圖中aa 為最高位碼道黑白分界線的理想位
置，它與其他三位碼道的黑白分界線正好對(duì)齊，當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，光束掃過(guò)這一區(qū)域時(shí)，輸出數(shù)
碼從0111 變?yōu)?000 不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。如果C1 道黑白分界線刻偏到a’a’，當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸
出數(shù)碼就會(huì)從0111 變?yōu)?111 再變到1000，中途出現(xiàn)了錯(cuò)誤數(shù)碼1111。反之C1 道黑白分界
線刻偏到a’’a’’，當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出數(shù)碼就會(huì)從0111 變?yōu)?000 再變到1000，中途出現(xiàn)了
錯(cuò)誤數(shù)碼0000。為了消除這種粗誤差，可以采用循環(huán)碼盤(pán)（格雷碼盤(pán)）。

圖 1-9（b）是一個(gè)四位循環(huán)碼盤(pán)，它與二進(jìn)制碼盤(pán)相同的是，碼道數(shù)也等于數(shù)碼位數(shù)，
因此最小分辨率也是式（1-2）求得，最內(nèi)圈也是半圈透光半圈不透光，對(duì)應(yīng)R1 位，最外圈
是第n 碼道對(duì)于Rn 位。與二進(jìn)制碼盤(pán)不同的是：第二碼道也是一半透光一半不透光，第i
碼道分為2i-1個(gè)黑白間隔，第i 碼道的黑白分界線與第i-1 碼道的黑白分界線錯(cuò)開(kāi)360° / 2i。
循環(huán)碼盤(pán)轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時(shí)，編碼中只有一位發(fā)生變化。只要適當(dāng)限制各碼道的制作誤差和安
裝誤差，就不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。由于這一原理，使得循環(huán)碼盤(pán)獲得廣泛的應(yīng)用。

1.3.3 二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換
絕對(duì)式光電編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（格雷碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，編
碼的設(shè)計(jì)一般是采用自然二進(jìn)制碼、循環(huán)二進(jìn)制碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在
轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼；抗干擾能力強(qiáng)，沒(méi)用累積誤差；
電源切斷后位置信息不會(huì)丟失，但分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)決定的，根據(jù)不同的精度要求，
可以選擇不同的分辨率即位數(shù)。目前有10 位、11 位、12 位、13 位、14 位或更高位等多種。
其中采用循環(huán)二進(jìn)制編碼的絕對(duì)式編碼器，其輸出信號(hào)是一種數(shù)字排序，不是權(quán)重碼，
每一位沒(méi)有確定的大小，不能直接進(jìn)行比較大小和算術(shù)運(yùn)算，也不能直接轉(zhuǎn)換成其他信號(hào)，
要經(jīng)過(guò)一次碼變換，變成自然二進(jìn)制碼，再由上位機(jī)讀取以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。而在碼制變換
中有不同的處理方式，本文著重介紹二進(jìn)制格雷碼與自然二進(jìn)制碼的互換。
（1）格雷碼（又叫循環(huán)二進(jìn)制碼或反射二進(jìn)制碼）介紹
在數(shù)字系統(tǒng)中只能識(shí)別 0 和1，各種數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼才能進(jìn)行處理，格雷碼是
一種無(wú)權(quán)碼，采用絕對(duì)編碼方式，典型格雷碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補(bǔ)碼，
它的循環(huán)、單步特性消除了隨機(jī)取數(shù)時(shí)出現(xiàn)重大誤差的可能，它的反射、自補(bǔ)特性使得求反
非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯(cuò)誤最小化的編碼方式，因?yàn)椋匀欢M(jìn)制碼可
以直接由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，但某些情況，例如從十進(jìn)制的3 轉(zhuǎn)換成4 時(shí)二進(jìn)制
碼的每一位都要變，使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼則沒(méi)有這一缺點(diǎn)，它是
一種數(shù)字排序系統(tǒng)，其中的所有相鄰整數(shù)在它們的數(shù)字表示中只有一個(gè)數(shù)字不同。它在任意
兩個(gè)相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化。它大大地減少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀
態(tài)時(shí)邏輯的混淆。另外由于最大數(shù)與最小數(shù)之間也僅一個(gè)數(shù)不同，故通常又叫葛萊反射碼或
循環(huán)碼。表1-1 為幾種自然二進(jìn)制碼與格雷碼的對(duì)照表：
表 1-1 幾種自然二進(jìn)制碼與格雷碼的對(duì)照表

從表 1-1 種可以得出，十進(jìn)制數(shù)N 與n 位二進(jìn)制碼滿(mǎn)足以下關(guān)系：

可見(jiàn)，二進(jìn)制碼由于是有權(quán)碼，滿(mǎn)足（1-4）的關(guān)系，而格雷碼是無(wú)權(quán)碼，不滿(mǎn)足（1-4）
的關(guān)系。它與所對(duì)應(yīng)的角度不存在類(lèi)似（1-3）的關(guān)系，因此必須找出循環(huán)碼和二進(jìn)制碼之
間的對(duì)應(yīng)關(guān)系和相互轉(zhuǎn)換規(guī)則。
（2）二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成制格雷碼
二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成制格雷碼，其法則是保留二進(jìn)制碼的最高位作為格雷碼的最高位，而次
高位格雷碼為二進(jìn)制碼的高位與次高位相異或，而格雷碼其余各位與次高位的求法相類(lèi)似。
圖1-11 所示為二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成格雷碼。

圖 1-11 自然二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制格雷碼
圖 1-12 為將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼的電路圖，其中圖（a）為并行轉(zhuǎn)換電路，圖（b）
為串行轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)采用串行電路時(shí)，工作之前先將D 觸發(fā)器D1 置0，Q=0，在Ci 端送入
C1，異或門(mén)D2 輸出R1=C1○+ 0=C1，隨后加CP 脈沖，使Q=C1；在Ci 端加入C2，D 輸出R2=C2○+
C1，以后重復(fù)上述過(guò)程，可以依次獲得R1，R2，……，Rn。

（3）格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼
格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，則是保留格雷碼的最高位作為二進(jìn)制碼的最高位，而次高位二
進(jìn)制碼為高位二進(jìn)制碼與次高位格雷碼相異或，而二進(jìn)制碼的其余各位與次高位二進(jìn)制碼的
求法相類(lèi)似。圖1-13 為將格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼的電路，其中圖（a）為并行轉(zhuǎn)換電路，圖
（b）為串行轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)采用串行電路時(shí)，工作之前先將JK 觸發(fā)器D 置0，Q=0，將R1
同時(shí)加到J、K 端，再加入CP 脈沖后，Q=C1= R1。以后若Q 端為Ci-1 在J、K 端加入Ri。
根據(jù)JK觸發(fā)器的特性，若J、K為“1”則加入CP脈沖后， i 1 Q C ? = ；若J、K 為“0”則
加入CP 脈沖后保持Q=Ci-1。這一邏輯關(guān)系可以寫(xiě)成：

圖 1-13 格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼的電路
格雷碼是無(wú)權(quán)碼，采用格雷碼盤(pán)獲得的格雷碼R1，R2，……，Rn 必須按圖1-11 轉(zhuǎn)換為
對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼C1，C2，……，Cn 后，才能代入（1-3）式確定與之對(duì)應(yīng)的角度。
（4）格雷碼與二進(jìn)制碼互換的軟件實(shí)現(xiàn)方法
（a）二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成格雷碼的軟件實(shí)現(xiàn)法
根據(jù)自然二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成格雷碼的法則，可以得到以下的代碼：
static unsigned int DecimaltoGray(unsigned int x)
{
return x^(x>>1);
}
//以上代碼實(shí)現(xiàn)了unsigned int 型數(shù)據(jù)到格雷碼的轉(zhuǎn)換，最高可轉(zhuǎn)換32 位自然二進(jìn)
制碼，超出32 位將溢出。
static int DecimaltoGray( int x)
{
return x^(x>>1);
}
//以上代碼實(shí)現(xiàn)了 int 型數(shù)據(jù)到格雷碼的轉(zhuǎn)換，最高可轉(zhuǎn)換31 位自然二進(jìn)制碼，超
出 31 位將溢出。
上述代碼即可用于 VC 控制程序中，也可以用于單片機(jī)控制程序中。在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
時(shí)，若采用匯編語(yǔ)言編程，可以按相同的原理設(shè)計(jì)程序；若采用C 語(yǔ)言編程，則可以直接
利用上述代碼，但建議用unsigned int 函數(shù)。
（b）軟件實(shí)現(xiàn)法(參見(jiàn)示例工程中的 Gray to Binary )
根據(jù)二進(jìn)制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進(jìn)制碼的法則，可以得到以下的三種代碼方式：
static unsigned int GraytoDecimal(unsigned int x)
{
unsigned int y = x;
while(x>>=1)
y ^= x;
return y;
}
static unsigned int GraytoDecimal(unsigned int x){
x^=x>>16;
x^=x>>8;
x^=x>>4;
x^=X>>2;
x^=x^1;
return x;
}
static unsigned int GraytoDecimal(unsigned int x)
{
int i;
for(i=0;(1<{
x^=x>>(1<}
return x;
}
//以上代碼實(shí)現(xiàn)了unsigned int 型數(shù)據(jù)到自然二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換，最高可轉(zhuǎn)換32 位格雷碼，
超出32 位將溢出。將數(shù)據(jù)類(lèi)型改為int 型即可實(shí)現(xiàn)31 位格雷碼轉(zhuǎn)換。
上述代碼即可用于 VC 控制程序中，也可以用于單片機(jī)控制程序中。在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
時(shí)，若采用匯編語(yǔ)言編程，可以按相同的原理設(shè)計(jì)程序；若采用C 語(yǔ)言編程，則可以直接
利用上述代碼，但建議用unsigned int 函數(shù)。

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