編碼器及其應(yīng)用概述

　　編碼器（encoder）是將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。 編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者成為碼盤，后者稱碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是"1"還是"0";非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是"1"還是"0",通過"1"和"0"的二進(jìn)制編碼來將采集來的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號(hào)用以通訊、傳輸和儲(chǔ)存。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出（REP）。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。

　　線性編碼器同樣使用磁柵編碼陣列和霍爾編碼陣列協(xié)調(diào)工作，線性編碼器的霍爾編碼陣列叫作"閱讀器", 磁柵編碼陣列叫作"感應(yīng)標(biāo)尺".但是線性編碼器采用的霍爾元件是線性霍爾，當(dāng)霍爾元件保持一定間隙沿磁柵軸線表面移動(dòng)時(shí)，線性霍爾感測出類似正弦波信號(hào)的位移量信息。信號(hào)分割器重分正弦波微電流信號(hào)，可以得到非常高的位置信息。理論上講，只要信號(hào)分割器分割的足夠細(xì)，系統(tǒng)的分辨率可以非常高。在實(shí)際工況下，由于雜散磁場、電磁干擾等因素影響，系統(tǒng)分辨率只能達(dá)到0.17毫米的水平。由于霍爾編碼陣列元件工作在線性狀態(tài)，系統(tǒng)受外界溫度、濕度、雜散磁場、電磁干擾等因素的影響比較大。

圖1. 光電編碼器的組件

　　僅有一路脈沖輸出的編碼器不能確定旋轉(zhuǎn)的角度，所以用處不大。如果使用兩路碼道，其扇區(qū)之間的相位差為90度（如圖2所示），那么通過該正交編碼器的兩路輸出通道就可以確定位置和旋轉(zhuǎn)的方向兩個(gè)信息。例如，如果通道A相位超前，碼盤就以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果通道B相位超前，那么碼盤就是以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此，通過監(jiān)控脈沖的數(shù)目和信號(hào)A、B之間的相對相位信息，就可以同時(shí)獲得旋轉(zhuǎn)的位置和方向信息。

圖2.  正交編碼器A和B的輸出信號(hào)

　　除此之外，有些正交編碼器還包含被稱為零信號(hào)或者參考信號(hào)的第三個(gè)輸出通道。這個(gè)通道每旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)單脈沖。你可以使用這個(gè)單脈沖來計(jì)算某個(gè)參考位置。在絕大多數(shù)編碼器中，這個(gè)信號(hào)稱為Z軸或者索引。

　　為止，本文之前介紹了單端增量式正交編碼器。由于A和B信號(hào)都以地作為參考信號(hào)，所以被稱作為單端，并且每個(gè)信號(hào)只有一根線（或者說只有一端）。而另外一種常用的編碼器為差分編碼器，它的A和B信號(hào)都有兩根線。A信號(hào)的兩根線分別是A'和A,B信號(hào)的兩根線分別是B'和B.因?yàn)檫@四根線總是輸出某個(gè)已知電平（0V或者Vcc），所以這種結(jié)構(gòu)也被稱為推挽結(jié)構(gòu)。當(dāng)A是Vcc時(shí)A'就是0V,反之，當(dāng)A是0V時(shí)A'就是Vcc.而在單端編碼器的情況下，A或者是Vcc或者懸空。采用差分檢測可以保證信號(hào)的準(zhǔn)確性，所以差分編碼器通?？梢杂迷陔娫肼曒^大的環(huán)境中。

　　采用增量式編碼器僅能測量出位置的變化信息（從中可以計(jì)算出運(yùn)動(dòng)速度和加速度），但卻無法確定目標(biāo)的位置。在這里，我們將介紹第三種編碼器：式編碼器，該類編碼器能夠獲得目標(biāo)的位置。這種編碼器同增量式編碼器一樣，具有交替變化的不透光扇區(qū)和透光扇區(qū)。但是式編碼器在編碼器的碼盤上，采用了多組分區(qū)形成同心碼道，如同靶環(huán)一樣。同心碼道從編碼器碼盤的中心出發(fā)，向外擴(kuò)展直到碼盤外部，每一層碼道都比其內(nèi)層多了一倍的分區(qū)。層，即內(nèi)層的碼道，只有一個(gè)透光扇區(qū)和一個(gè)不透光扇區(qū)；位于中心的第二層就具有兩個(gè)透光扇區(qū)和兩個(gè)不透光扇區(qū)；而第三層碼道的透光扇區(qū)和不透光扇區(qū)就各有四個(gè)。如果編碼器有10層碼道，那么外圍的碼道就有512個(gè)扇區(qū)；如果有16層碼道，那么外圍的碼道就有32,767個(gè)扇區(qū)。

　　因?yàn)槭骄幋a器的每層碼道都比它里面一層的碼道多了一倍數(shù)目的扇區(qū)，所以扇區(qū)的數(shù)目就形成了二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)。在這種編碼器中，碼盤上的每個(gè)碼道都對應(yīng)一個(gè)光源和一個(gè)接收器。這意味著10層碼道的編碼器就需要10組光源和接收器，而16層碼道的編碼器就需要16組光源和接收器。

　　式編碼器的優(yōu)勢在于您可以降低編碼器的轉(zhuǎn)速，可以使編碼器的碼盤在整個(gè)機(jī)器運(yùn)動(dòng)周期中只轉(zhuǎn)一圈。如果機(jī)器運(yùn)動(dòng)距離為10英寸，而編碼器具有16位，那么機(jī)器位置的就是10/65,536,即0.00015英寸。如果機(jī)器的行程更長譬如6英尺，那么粗旋轉(zhuǎn)編碼器可以保證跟蹤每一英尺距離；第二級(jí)稱為細(xì)旋轉(zhuǎn)編碼器可以跟蹤1英尺以內(nèi)的距離。這就意味著，你可以調(diào)整粗編碼器，使其在整個(gè)6英尺距離內(nèi)旋轉(zhuǎn)一圈；也可以調(diào)整細(xì)編碼器，使其能夠分辨的范圍為1英尺（即12英寸）。

　　怎樣使用編碼器進(jìn)行測量

　　要使用編碼器進(jìn)行測量，必需有一個(gè)基本的電子設(shè)備即計(jì)數(shù)器?；镜挠?jì)數(shù)器是通過其幾個(gè)輸入通道，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)值，來表示檢測到的邊沿（即波形中從低到高或高到低的變化）數(shù)目。大多數(shù)計(jì)數(shù)器都有三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的輸入--門限、源和升/降選擇。計(jì)數(shù)器記錄源輸入中的事件數(shù)目，并且根據(jù)升/降選擇線的狀態(tài)進(jìn)行加計(jì)數(shù)或者減計(jì)數(shù)。例如：如果升/降狀態(tài)位"高",那么計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)；如果升/降狀態(tài)位"低",那么計(jì)數(shù)器就減計(jì)數(shù)。圖3顯示了一個(gè)簡化的計(jì)數(shù)器框圖。

圖3. 計(jì)數(shù)器的簡化模型

　　編碼器通常有5根線需要連接。不同的編碼器，這些線的顏色是不一樣的。你可以使用這些線來給編碼器提供電源，并且讀入A、B和Z信號(hào)。圖4顯示了一個(gè)增量式編碼器的典型接口定義。

圖4. 增量式編碼器接口

　　接下來一步就要決定這些線應(yīng)該接到什么位置。如上文所述，將信號(hào)A接到源接線端上，對其信號(hào)中的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。信號(hào)B連接到升/降選擇端口上。將任意+5V的直流電源接到電源和地接線端口上--大多情況下，一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備只需一根數(shù)字線就足夠了。

　　既然對信號(hào)邊沿計(jì)數(shù)了，接下來你需要考慮的就是這些數(shù)值應(yīng)如何轉(zhuǎn)換成位置信息。這個(gè)由邊沿?cái)?shù)值轉(zhuǎn)換為位置信息的過程，取決于所采用的編碼類型。總共有三種基本的編碼類型：X1、X2和X4.

　　X1編碼

　　圖5顯示了一個(gè)正交周期和其相應(yīng)的X1編碼類型下的計(jì)數(shù)值的加減數(shù)目。當(dāng)通道A引導(dǎo)通道B時(shí)，增量發(fā)生在通道A的上升沿。當(dāng)通道B引導(dǎo)通道A時(shí)，減量發(fā)生在通道A的下降沿。

圖5.  X1編碼

　　X2編碼

　　X2編碼與上述過程類似，只是計(jì)數(shù)器A通道的每個(gè)邊沿計(jì)數(shù)是增加還是減少，取決于由哪個(gè)通道引導(dǎo)哪個(gè)通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)值每個(gè)周期都會(huì)增加2個(gè)或減少2個(gè)，如圖6所示。

圖6.  X2編碼

　　X4編碼

　　X4編碼模式下，計(jì)數(shù)器同樣也在通道A和B的每個(gè)沿上發(fā)生增加或者減少。計(jì)數(shù)器的數(shù)目是增加還是減少，取決于哪個(gè)通道引導(dǎo)哪個(gè)通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)目每個(gè)周期都會(huì)增加4個(gè)或減少4個(gè)，如圖7所示。

圖7. X4編碼

　　一旦你設(shè)置了編碼類型以及脈沖計(jì)數(shù)類型，就可以使用下列公式把數(shù)值信息轉(zhuǎn)換為位置信息了：

　　對于轉(zhuǎn)動(dòng)位置

　　旋轉(zhuǎn)量

　　其中 N=軸每旋轉(zhuǎn)一周過程中，編碼器所生成的脈沖數(shù)目

　　x = 編碼類型

　　對于線性位置

　　位移量 

　　其中 PPI=脈沖每英寸（這個(gè)參數(shù)與所選的編碼器有關(guān)）

　　將編碼器連接到儀器上

　　在這部分中，以NI cDAQ-9172機(jī)箱和NI 9401 C系列的數(shù)字I/O模塊為例。使用不同的測量儀器和設(shè)備，都與該過程類似。

圖8.  NI CompactDAQ系統(tǒng)

　　使用的設(shè)備：

　　cDAQ-9172 : NI CompactDAQ 8插槽高速USB機(jī)箱

　　NI 9401:8-通道、5 V/TTL高速雙向數(shù)字I/O模塊

　　24脈沖/轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)正交編碼器

　　NI 9401有一個(gè) D-Sub連接器，可以為8個(gè)數(shù)字通道提供連接。每個(gè)通道都有一個(gè)數(shù)字I/O端口，可以連接到一個(gè)數(shù)字輸入或輸出設(shè)備。只有通過機(jī)箱上的第5和第6個(gè)插槽，才可以連接到cDAQ-9172中的兩個(gè)計(jì)數(shù)器上；所以，將9401插入到第5插槽上。圖8顯示了這種結(jié)構(gòu)的端口，圖9顯示了默認(rèn)的計(jì)數(shù)器接線端。

圖9. NI9401的端口（插槽5）

 表1. 默認(rèn)的計(jì)數(shù)器接線端

　　根據(jù)這些規(guī)范，編碼器上的連線A連接到14腳上，連線B連接到17腳上，"5 VDC Power"連接到任何一個(gè)設(shè)置為"高"的尚未使用的的數(shù)字線上，"Ground"連接到任何COM端口上。

　　開始測量

　　前面已經(jīng)將編碼器連接到測量設(shè)備上了，接下來就可以使用NI LabVIEW圖形化編程軟件，將這些數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行觀察和分析了。

　　圖10顯示了一個(gè)例子，在LabVIEW編程環(huán)境中顯示邊沿?cái)?shù)目和相應(yīng)的位置增量。

圖10. LabVIEW前端面板顯示測量