陳曉娟

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程技術(shù)系，遼寧 大連 116037）

光電編碼器可以通過(guò)光電原理將一個(gè)機(jī)械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)（電子脈沖信號(hào)或者數(shù)據(jù)串）。它是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，具有精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對(duì)式以及復(fù)合式3大類[2]。增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實(shí)現(xiàn)小型化。它的外觀好像一個(gè)電位器，因其外部有一個(gè)可以左右旋轉(zhuǎn)同時(shí)又可按下的旋鈕，很多設(shè)備（如顯示器、示波器等）用它作為人機(jī)交互接口。在車(chē)載電子設(shè)備中被廣泛用于顯示器菜單選擇、汽車(chē)音響的音量控制調(diào)節(jié)以及汽車(chē)空調(diào)的控制調(diào)節(jié)等。筆者主要以日本阿爾卑斯EC11J微型光電編碼器為例，分析了增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的構(gòu)造及原理，進(jìn)一步提出了在汽車(chē)音量控制調(diào)節(jié)過(guò)程中如何用軟件程序?qū)崿F(xiàn)輸出脈沖的辨向和計(jì)數(shù)的方法。文中如不特別說(shuō)明，所提到的編碼器均指增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器。

1 光電編碼器的構(gòu)造與工作原理

1.1 編碼器的構(gòu)造

典型的增量式光電編碼器主要由機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)據(jù)掃描系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)3大部分組成[3]。

機(jī)械系統(tǒng)主要起外殼和轉(zhuǎn)動(dòng)支撐作用。

數(shù)據(jù)掃描系統(tǒng)由光源、碼盤(pán)、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件組成，如圖1所示。碼盤(pán)上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期；檢測(cè)光柵上刻有A、B兩組與碼盤(pán)相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過(guò)或阻擋光源和光電檢測(cè)器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤(pán)上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差90°。在大多數(shù)情況下，直接從編碼器的光電檢測(cè)器件獲取的信號(hào)電平較低，波形也不規(guī)則，還不能適應(yīng)于控制、信號(hào)處理和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。所以，在編碼器還必須將此信號(hào)放大、整形。

圖1 光電編碼器數(shù)據(jù)掃描系統(tǒng)組成Fig.1 Photoelectric encoder data scan systems

電氣系統(tǒng)部分主要包括保護(hù)電路、放大電路、抗干擾電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出等。

1.2 編碼器的工作原理

當(dāng)碼盤(pán)隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，光線透過(guò)碼盤(pán)和檢測(cè)光柵上的縫隙照射到光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)器件會(huì)輸出兩組相位差90°的脈沖信號(hào)[4-7]。

圖2（a）為光電式編碼器的A/B相脈沖信號(hào)發(fā)生的典型電路。虛線框?yàn)榭p隙，如果檢測(cè)光柵擋住光源的光線射向光電三極管，三極管呈截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)A/B相輸入因上拉電路的影響呈邏輯高電平，如圖2（b）所示。反之，光電三極管受發(fā)光二極管的照射，呈飽和態(tài)（即導(dǎo)通）。此時(shí)A/B相因與地相接呈邏輯低電平。因此當(dāng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如圖3所示的A/B相脈沖。

圖2 編碼器的信號(hào)輸出原理電路Fig.2 Encoder signal output principle circuit

圖3 編碼器輸出信號(hào)波形Fig.3 Encoder output signal waveform

為了在使用中達(dá)到準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)的目的，設(shè)計(jì)者將編碼器的碼盤(pán)一周平分成若干等份，并安裝彈簧，使得編碼器只要旋轉(zhuǎn)就一定旋轉(zhuǎn)出最小刻度的整數(shù)倍。當(dāng)編碼器正向旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，A相比B相超前90°，反向旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，A相比B相落后90°。這樣，就可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的刻度來(lái)確定編碼器的旋轉(zhuǎn)量，通過(guò)A/B相脈沖的相位關(guān)系得知編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。

2 編碼器在汽車(chē)音響系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 編碼器的應(yīng)用

EC11J系列編碼器[8]是日本阿爾卑斯電氣株式會(huì)社生產(chǎn)的車(chē)用小型高精度滑動(dòng)式編碼器。主要用于汽車(chē)導(dǎo)航器，音響的音量調(diào)節(jié)和空調(diào)溫度調(diào)節(jié)旋鈕以及菜單選擇等。

在現(xiàn)代汽車(chē)音響系統(tǒng)中，由于車(chē)載電子的電源為車(chē)內(nèi)自帶的蓄電池，電源常常會(huì)受外界的干擾（如路面顛簸，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高等等），造成電壓不穩(wěn)，這樣即使電位器的位置沒(méi)有變化，也會(huì)因?yàn)樾铍姵仉妷旱淖兓沟秒娢黄鬏敵鲭妷鹤兓?，這樣就會(huì)導(dǎo)致即使沒(méi)有調(diào)節(jié)音量，音量也會(huì)隨蓄電池電壓的變化而變化，因此一般不采用輸出為模擬電壓信號(hào)的電位器作為調(diào)節(jié)旋鈕。

而編碼器輸出的是穩(wěn)定可靠的數(shù)字信號(hào)，可以通過(guò)下一級(jí)設(shè)備的可編程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)音量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，并消除干擾。編碼器使用時(shí)能夠360°旋轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度快，旋轉(zhuǎn)量計(jì)量精確，旋轉(zhuǎn)聲響微小，同時(shí)它壽命長(zhǎng)、不產(chǎn)生噪聲，電路簡(jiǎn)單，這都是電位器無(wú)法比擬的。相對(duì)于電位器和其他元件來(lái)說(shuō)更有利于音量調(diào)節(jié)這樣的需要連續(xù)變化的控制。

2.2 編碼器輸出控制電路程序設(shè)計(jì)

編碼器的輸出脈沖的辨向和計(jì)數(shù)可以通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件方法實(shí)現(xiàn)[6]。以下主要介紹單片機(jī)編程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖的辨向和計(jì)數(shù)。本方法采取1 ms定期查詢方式讀取A/B相脈沖狀態(tài)，為了保證讀取A/B相脈沖狀態(tài)的正確性，需要進(jìn)行3次一致性的消抖，然后依據(jù)編碼器輸出波形的相位關(guān)系，判斷出編碼器的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)量。具體軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件編程流程圖Fig.4 Software programming flow chart

2.3 程序測(cè)試要點(diǎn)

汽車(chē)音響系統(tǒng)中采用編碼器作為音量調(diào)解旋鈕，搖擺晃動(dòng)量小，旋轉(zhuǎn)定位虛位小。但是車(chē)輛在行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)以及其他車(chē)載電子設(shè)備都有可能對(duì)編碼器的輸出波形產(chǎn)生電磁干擾或其他干擾，這就需要程序能夠識(shí)別干擾，不會(huì)誤計(jì)數(shù)和判錯(cuò)方向?？梢岳眯盘?hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，模擬編碼器輸出脈沖，并將其連接到單片機(jī)的輸入端口，從以下幾個(gè)方面對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試。

1）正反方向和增減量的確認(rèn)

給單片機(jī)輸入n周期正方向脈沖，波形如圖5所示，驗(yàn)證程序是否能正確無(wú)誤檢測(cè)出正向并驗(yàn)證增減量是否增大n。同理驗(yàn)證反方向。

2）單相斷線錯(cuò)誤確認(rèn)

圖5 n個(gè)周期正方向脈沖Fig.5 N cycle of direction pulse

當(dāng)編碼器出現(xiàn)故障，A相或者B相斷線，斷的一相恒為邏輯高電平或者恒為邏輯低電平，另一相為正常變化的脈沖波形。利用信號(hào)發(fā)生器模擬編碼器A相或者B相異常，恒為高或者低，共計(jì)4種情況如圖6。測(cè)試程序是否能夠識(shí)別出異常，并且計(jì)數(shù)量不會(huì)變化。

圖6 A相或B相可能出現(xiàn)的4種異常情況Fig.6 A phase or B phase may appear in four abnormal situation

3）微震動(dòng)確認(rèn)

汽車(chē)在途徑碎石路時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈微震動(dòng)，及車(chē)載其他電子設(shè)備的電磁干擾，都會(huì)影響編碼器輸出不正常的邏輯波形如圖7所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試確認(rèn)這些微震動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致程序變量值的變化。

圖7 編碼器可能輸出的不正常邏輯波形Fig.7 Encoder may output the abnormal logic waveform

3 結(jié)束語(yǔ)

光電旋轉(zhuǎn)編碼器具有旋轉(zhuǎn)操控性好、旋轉(zhuǎn)定位準(zhǔn)確以及體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出等綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)配有單片機(jī)等下一級(jí)可編程設(shè)備的準(zhǔn)確無(wú)誤的信號(hào)識(shí)別，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在車(chē)載電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)用幾乎深入到汽車(chē)所有的系統(tǒng)。采用新原理、應(yīng)用新技術(shù)的各類新型光電編碼器將會(huì)不斷出現(xiàn)，并向著小型化、智能化和集成化的方向發(fā)展，以滿足汽車(chē)安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和娛樂(lè)性的需要。

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