光電編碼器信號傳輸?shù)墓饫w實現(xiàn)

1.引言

光電編碼器在現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)中常用以檢測轉(zhuǎn)軸的位置與速度，是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的高精度角位置測量傳感器。由于其具有分辨率高、響應(yīng)速度快、體積小等特點，被廣泛應(yīng)用于電機控制系統(tǒng)中。

2.絕對值型光電編碼器信號傳輸的光纖實現(xiàn)

編碼器按信號輸出形式分為絕對式編碼器和增量式編碼器。絕對式光電編碼器具有輸出量可與PLC模塊、ARM或FPGA等器件直接接口，無累計誤差等優(yōu)點，但價格高、制造工藝復(fù)雜，不宜實現(xiàn)小型化。絕對型編碼器有兩種類型，單圈和多圈。單圈絕對型編碼器旋轉(zhuǎn)一圈后自動回到零;多圈絕對型編碼器旋轉(zhuǎn)到編碼器最大圈數(shù)、最大計數(shù)值自動回到零。絕對型編碼器一般采用格雷碼盤編碼。格雷碼(GrayCode)在任意兩個相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時，只有一個數(shù)位發(fā)生變化。以分辨率24四位二進制碼盤為例。若絕對值編碼器采用二進制8421碼盤，如圖1所示，兩個順序的編碼之間有一位或一位以上二進制位置改變。例如：兩個順序的二進制碼，從0111變到1000,二進制碼的所有位都改變它們的狀態(tài)。在改變狀態(tài)的過渡時刻得到讀數(shù)可能是錯誤的。即位置的同步和采樣變得非常困難。

而采用二進制格雷碼盤，如圖2所示，兩個順序的編碼之間，從最后一位碼到第一位碼，只有一位二進制位置改變，這樣使位置的同步和采樣變得準確、簡單、可行。關(guān)于自然二進制碼與格雷碼之間的換算關(guān)系可以參考相關(guān)文獻。

絕對值編碼器信號輸出一般有并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出。下面對其輸出方式進行簡單介紹。

2.1 并行輸出

絕對值編碼器輸出的是多位數(shù)碼(格雷碼或純二進制碼)，并行輸出就是在接口上有多點高低電平輸出，以代表數(shù)碼的1或0,對于位數(shù)不高的絕對編碼器，一般就直接以此形式輸出數(shù)碼，可直接進入PLC或上位機的I/O接口，輸出即時，連接簡單。但是并行輸出有如下問題：

①必須是格雷碼，因為如是純二進制碼，在數(shù)據(jù)刷新時可能有多位變化，讀數(shù)會在短時間里造成錯碼。

②所有接口必須確保連接好，因為如有個別連接不良點，該點電位始終是0,造成錯碼而無法判斷。

③傳輸距離不能遠，一般在一兩米，對于復(fù)雜環(huán)境，最好有隔離。

④對于位數(shù)較多，要許多芯電纜，并要確保連接優(yōu)良，由此帶來工程難度，同樣，對于編碼器，要同時有許多節(jié)點輸出，增加編碼器的故障損壞率。

2.2 同步串行(SSI)輸出

串行輸出就是通過約定，在時間上有先后的數(shù)據(jù)輸出，其連接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。SSI接口如RS422模式，以兩根數(shù)據(jù)線、兩根時鐘線連接，由接收設(shè)備向編碼器發(fā)出中斷的時鐘脈沖，絕對位置值由編碼器與時鐘脈沖同步輸出至接收設(shè)備。由接收設(shè)備發(fā)出時鐘信號觸發(fā)，編碼器開始輸出與時鐘信號同步的串行信號。串行輸出連接線少，傳輸距離遠，提高了編碼器的可靠性和保護。一般高位數(shù)的絕對編碼器都是用串行輸出的。

2.3 現(xiàn)場總線型輸出(異步串行)

現(xiàn)場總線型編碼器是多個編碼器各以一對信號線連接在一起，通過設(shè)定地址，用通訊方式傳輸信號，信號的接收設(shè)備只需一個接口，就可以讀多個編碼器信號。

總線型編碼器信號遵循R S 4 8 5的物理格式，目前有多種通訊規(guī)約，各有優(yōu)點，還未統(tǒng)一，編碼器常用的通訊規(guī)約有如下幾種：PROFIBUS-DP;CAN;DeviceNet等。

總線型編碼器可以節(jié)省連接線纜、接收設(shè)備接口，傳輸距離遠，在多個編碼器集中控制的情況下還可以大大節(jié)省成本。

2.4 變送一體型輸出

其信號已經(jīng)在編碼器內(nèi)換算后直接變送輸出，其有模擬量4-20mA輸出、RS485數(shù)字輸出、14位并行輸出等。

針對絕對值編碼器的常見輸出信號形式即同步串行輸出(SSI)，提出采用光纖傳輸?shù)姆椒?，從而提高編碼器信號的抗干擾能力以及施工接線的方便性。工業(yè)串口光纖Modem將RS-232/422/485電信號直接調(diào)制成光信號在光纖上傳輸，解決了電磁干擾、地環(huán)干擾和雷電破壞的難題，提高了數(shù)據(jù)通訊的可靠性、安全性和保密性，適合我方對電磁干擾環(huán)境有特殊要求的某控制系統(tǒng)。如圖3所示，編碼器端輸出的同步串行RS-422數(shù)據(jù)信號通過接口變換電路轉(zhuǎn)換為TTL信號，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器件變換為光信號進行傳輸。同樣，RS-422的時鐘同步信號由接收端通過相同的方式進行轉(zhuǎn)換，所不同的是數(shù)據(jù)信號和時鐘同步信號轉(zhuǎn)換后的光波長不相等，然后通過多模光纖來傳播。