將格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼器的方法

絕對(duì)編碼器中的傳感器輸出格雷碼序列，需要一些復(fù)雜的轉(zhuǎn)換方法才能正確使用。本文展示了如何獲取絕對(duì)編碼器使用的格雷碼并將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制。

對(duì)于大多數(shù)使用電機(jī)和伺服機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，反饋至關(guān)重要。這種反饋通常采用編碼器的形式。對(duì)于許多編碼器，輸出是“絕對(duì)的”，這意味著可以隨時(shí)測(cè)量位置的精確度數(shù)，但它有一個(gè)缺點(diǎn)：它需要大量傳感器。這些傳感器經(jīng)常輸出格雷碼序列，需要一些復(fù)雜的轉(zhuǎn)換方法才能正確使用。

二進(jìn)制如何導(dǎo)致編碼器出現(xiàn)問(wèn)題

電機(jī)和其他旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)備最常見(jiàn)的反饋形式是編碼器，它使用光（光學(xué)）傳感器對(duì)著具有特定黑白圖案的旋轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)提供角位置數(shù)據(jù)。存在兩種主要類型的編碼器：增量式和絕對(duì)式。增量編碼器對(duì)亮/暗標(biāo)記轉(zhuǎn)換進(jìn)行計(jì)數(shù)，以跟蹤在給定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)了多少度的旋轉(zhuǎn)。

另一種編碼器是絕對(duì)型編碼器，這種編碼器經(jīng)常使用，因?yàn)樗梢詼y(cè)量與增量型相同的量，但它是由圓盤(pán)構(gòu)成的，圓盤(pán)具有從中心輻射的復(fù)雜標(biāo)記圖案。根據(jù)位置的不同，圖案是完全獨(dú)特的。它們通常有 256 到 1024 個(gè)不同的獨(dú)特圖案，均勻分布在圓圈周圍，分別表示 8 位或 10 位輸出。

位數(shù)等于跟蹤模式的傳感器數(shù)量，而這個(gè)數(shù)量的傳感器可能會(huì)為單個(gè)處理器創(chuàng)建一個(gè)耗時(shí)的讀取任務(wù)。為了最大程度地減少讀取錯(cuò)誤，磁盤(pán)通常具有一種模式，該模式僅允許一個(gè)傳感器讀數(shù)在磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)隨時(shí)更改。

由于圖案只有暗色或亮色，這為每個(gè)傳感器提供了開(kāi)/關(guān)或“二進(jìn)制”輸出。在典型的二進(jìn)制模式中，位序列直接對(duì)應(yīng)于一個(gè)等效的十進(jìn)制數(shù)，該十進(jìn)制數(shù)會(huì)在磁盤(pán)周圍增加，從 0 到 256（或最多 1024）。標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制序列的唯一問(wèn)題是多個(gè)位同時(shí)改變?cè)S多計(jì)數(shù)。每次發(fā)生這種情況時(shí)，都可能會(huì)遇到讀取錯(cuò)誤。

下表顯示了這種情況發(fā)生的頻率。

如圖所示，這種可能的錯(cuò)誤每隔一個(gè)計(jì)數(shù)就會(huì)發(fā)生一次，這是完全不可接受的。

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題？

作為這個(gè)錯(cuò)誤嚴(yán)重性的一個(gè)例子，想象一下從第九種模式到第十種模式的轉(zhuǎn)變。四個(gè)傳感器最初會(huì)讀取 1001，然后在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)變?yōu)?1010。

控制器會(huì)以固定的快速間隔讀取傳感器，因此它可能會(huì)在模式仍為 9 時(shí)開(kāi)始讀取，因此前三個(gè)傳感器可能會(huì)讀取 1 0 和 0。然后，就在它讀取最后一個(gè)傳感器之前，模式步驟最多 10 并且最終傳感器變?yōu)?0。

控制器會(huì)將整個(gè)序列串在一起為 1000。但看起來(lái)它只是倒退了，回到了 8！實(shí)際情況并非如此。

另一方面，如果只有一個(gè)位從一個(gè)計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換到下一個(gè)計(jì)數(shù)，控制器將看到變化并識(shí)別運(yùn)動(dòng)，或者它不會(huì)看到變化并識(shí)別出還沒(méi)有發(fā)生運(yùn)動(dòng)。格雷碼是這種一次只更改一次的系統(tǒng)序列，但對(duì)于熟悉標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制的專業(yè)人士來(lái)說(shuō)，這種模式似乎很陌生。

雖然它與標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制不匹配，但格雷碼到二進(jìn)制的計(jì)算可以非常簡(jiǎn)單地完成，這里有一些標(biāo)準(zhǔn)梯形邏輯和使用 C++ 的結(jié)構(gòu)化文本中的示例。

梯形邏輯轉(zhuǎn)換

要將格雷碼位轉(zhuǎn)換為正確的二進(jìn)制位，每個(gè)格雷碼傳感器必須對(duì)應(yīng)一個(gè)布爾值，或者直接來(lái)自傳感器，或者作為整數(shù)的一部分。

此示例是用 Automation Direct 的梯形圖編程軟件編寫(xiě)的，并假設(shè)“Sensor_1”是最低有效位 （LSB），傳感器沿著編碼器磁盤(pán)的外邊緣。共有八個(gè)傳感器（8 位）增加到編碼器的中心。

‘Binary_Number:1’ 是用于存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制等效值的整數(shù)的對(duì)應(yīng)位。對(duì)于其他軟件，例如 Rockwell 的 RSLogix，這個(gè)整數(shù)位可能看起來(lái)像 Binary_Number.0，其中 Binary_Number 是一個(gè) INT 類型標(biāo)記，從位 0 開(kāi)始。

第 1 行 - 為了正確轉(zhuǎn)換，最高有效位 （MSB） 即 Sensor_8 保持不變。

第 2 行 - 對(duì)于下一個(gè)有效位，在 Sensor_8 和 Sensor_7 之間使用“異或”的邏輯比較。如果 Sensor_7 和 _8 相同，則返回 0，如果 Sensor_7 和 _8 不同，則返回 1。

第 3 到 8 行 - 對(duì)于每個(gè)剩余位，我們繼續(xù)在前一個(gè)位和下一個(gè) Sensor 值之間使用“異或”。

如果編碼器是 10 位的，則有 10 行，前兩行將使用 Sensor_10 和 _9 并下降，直到最后使用最后一個(gè)傳感器。

圖 1. Automation Direct 梯形圖編程軟件中使用的梯形邏輯示例。

所有前面的邏輯線都可以包裝到單個(gè)自定義指令塊或子程序中以簡(jiǎn)化過(guò)程。

結(jié)構(gòu)化文本轉(zhuǎn)換

這個(gè)例子只是部分的，因?yàn)橛懈鞣N各樣的語(yǔ)言、語(yǔ)法和應(yīng)用程序。核心目標(biāo)仍然是將來(lái)自八個(gè)傳感器的傳感器讀數(shù)轉(zhuǎn)換為等效的二進(jìn)制數(shù)。

對(duì)于基于 C 的語(yǔ)言，產(chǎn)生單個(gè)位的異或 （XOR） 是 ！=。MSB 與傳感器值相同，第二位是兩個(gè)傳感器的 XOR，其余每個(gè)位是前一位和下一個(gè)傳感器的 XOR。

無(wú)效轉(zhuǎn)換（）{

Binary_Number_8 = Sensor_8；

Binary_Number_7 = Sensor_8 ！= Sensor_7；

Binary_Number_6 = Binary_Number_7 ！= Sensor_6;

Binary_Number_5 = Binary_Number_6 ！= Sensor_5;

Binary_Number_4 = Binary_Number_5 ！= Sensor_4;

Binary_Number_3 = Binary_Number_4 ！= Sensor_3;

Binary_Number_2 = Binary_Number_3 ！= Sensor_2;

Binary_Number_1 = Binary_Number_2 ！= Sensor_1;

}

剩下的步驟是將 Binary_Number 位轉(zhuǎn)換為適合應(yīng)用程序的整數(shù)。請(qǐng)注意，不同的語(yǔ)言可能遵循不同的程序。此示例僅用于概述該過(guò)程的外觀。