光電編碼器在車(chē)載音響系統中的應用

光電編碼器可以通過(guò)光電原理將一個(gè)機械的幾何位移量轉換為電子信號(電子脈沖信號或者數據串)。它是一種集光、機、電為一體的數字化檢測裝置，具有精度高、結構簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠、易于維護、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

一般來(lái)說(shuō)，根據光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對式以及復合式3大類(lèi)。增量式旋轉光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實(shí)現小型化。它的外觀(guān)好像一個(gè)電位器，因其外部有一個(gè)可以左右旋轉同時(shí)又可按下的旋鈕，很多設備(如顯示器、示波器等)用它作為人機交互接口。在車(chē)載電子設備中被廣泛用于顯示器菜單選擇、汽車(chē)音響的音量控制調節以及汽車(chē)空調的控制調節等。筆者主要以日本阿爾卑斯EC11J微型光電編碼器為例，分析了增量式旋轉編碼器的構造及原理，進(jìn)一步提出了在汽車(chē)音量控制調節過(guò)程中如何用軟件程序實(shí)現輸出脈沖的辨向和計數的方法。文中如不特別說(shuō)明，所提到的編碼器均指增量式旋轉光電編碼器。

1 光電編碼器的構造與工作原理

1．1 編碼器的構造

典型的增量式光電編碼器主要由機械系統、數據掃描系統、電氣系統3大部分組成。機械系統主要起外殼和轉動(dòng)支撐作用。

數據掃描系統由光源、碼盤(pán)、檢測光柵、光電檢測器件組成，如圖1所示。碼盤(pán)上刻有節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；檢測光柵上刻有A、B兩組與碼盤(pán)相對應的透光縫隙，用以通過(guò)或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線(xiàn)。它們的節距和碼盤(pán)上的節距相等，并且兩組透光縫隙錯開(kāi)1／4節距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°。在大多數情況下，直接從編碼器的光電檢測器件獲取的信號電平較低，波形也不規則，還不能適應于控制、信號處理和遠距離傳輸的要求。所以，在編碼器還必須將此信號放大、整形。

電氣系統部分主要包括保護電路、放大電路、抗干擾電路、數據轉換輸出等。

1．2 編碼器的工作原理

當碼盤(pán)隨著(zhù)轉軸轉動(dòng)時(shí)，檢測光柵不動(dòng)，光線(xiàn)透過(guò)碼盤(pán)和檢測光柵上的縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件會(huì )輸出兩組相位差90°的脈沖信號。

圖2(a)為光電式編碼器的A／B相脈沖信號發(fā)生的典型電路。虛線(xiàn)框為縫隙，如果檢測光柵擋住光源的光線(xiàn)射向光電三極管，三極管呈截止狀態(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)(即導通)。此時(shí)A／B相因與地相接呈邏輯低電平。因此當碼盤(pán)旋轉時(shí)，會(huì )產(chǎn)生如圖3所示的A／B相脈沖。

為了在使用中達到準確轉動(dòng)的目的，設計者將編碼器的碼盤(pán)一周平分成若干等份，并安裝彈簧，使得編碼器只要旋轉就一定旋轉出最小刻度的整數倍。當編碼器正向旋轉的時(shí)候，A相比B相超前90°，反向旋轉的時(shí)候，A相比B相落后90°。這樣，就可以通過(guò)轉動(dòng)的刻度來(lái)確定編碼器的旋轉量，通過(guò)A／B相脈沖的相位關(guān)系得知編碼器的旋轉方向。

2 編碼器在汽車(chē)音響系統中的應用

2．1 編碼器的應用

EC11J系列編碼器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)導航器，音響的音量調節和空調溫度調節旋鈕以及菜單選擇等。

在現代汽車(chē)音響系統中，由于車(chē)載電子的電源為車(chē)內自帶的蓄電池，電源常常會(huì )受外界的干擾(如路面顛簸，發(fā)動(dòng)機轉速提高等等)，造成電壓不穩，這樣即使電位器的位置沒(méi)有變化，也會(huì )因為蓄電池電壓的變化使得電位器輸出電壓變化，這樣就會(huì )導致即使沒(méi)有調節音量，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的電位器作為調節旋鈕。

而編碼器輸出的是穩定可靠的數字信號，可以通過(guò)下一級設備的可編程控制，實(shí)現對音量的準確調節，并消除干擾。編碼器使用時(shí)能夠360°旋轉，響應速度快，旋轉量計量精確，旋轉聲響微小，同時(shí)它壽命長(cháng)、不產(chǎn)生噪聲，電路簡(jiǎn)單，這都是電位器無(wú)法比擬的。相對于電位器和其他元件來(lái)說(shuō)更有利于音量調節這樣的需要連續變化的控制。

2．2 編碼器輸出控制電路程序設計

編碼器的輸出脈沖的辨向和計數可以通過(guò)硬件電路實(shí)現，也可以用軟件方法實(shí)現。以下主要介紹單片機編程控制來(lái)實(shí)現脈沖的辨向和計數。本方法采取1 ms定期查詢(xún)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，然后依據編碼器輸出波形的相位關(guān)系，判斷出編碼器的旋轉方向和旋轉量。具體軟件流程圖如圖4所示。


2．3 程序測試要點(diǎn)

汽車(chē)音響系統中采用編碼器作為音量調解旋鈕，搖擺晃動(dòng)量小，旋轉定位虛位小。但是車(chē)輛在行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機以及其他車(chē)載電子設備都有可能對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別干擾，不會(huì )誤計數和判錯方向?？梢岳眯盘柊l(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的輸入端口，從以下幾個(gè)方面對程序進(jìn)行測試。

1)正反方向和增減量的確認

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


2)單相斷線(xiàn)錯誤確認

當編碼器出現故障，A相或者B相斷線(xiàn)，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4種情況如圖6。測試程序是否能夠識別出異常，并且計數量不會(huì )變化。

汽車(chē)在途徑碎石路時(shí)會(huì )產(chǎn)生強烈微震動(dòng)，及車(chē)載其他電子設備的電磁干擾，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)測試確認這些微震動(dòng)不會(huì )導致程序變量值的變化。


3 結束語(yǔ)

光電旋轉編碼器具有旋轉操控性好、旋轉定位準確以及體積小、重量輕、結構簡(jiǎn)單、可實(shí)現數字量輸出等綜合技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)配有單片機等下一級可編程設備的準確無(wú)誤的信號識別，具有很強的抗干擾能力，在車(chē)載電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應用。

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