光電編碼器信號傳輸的光纖實(shí)現

1.引言

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

2.絕對值型光電編碼器信號傳輸的光纖實(shí)現

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(wú)累計誤差等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格高、制造工藝復雜，不宜實(shí)現小型化。絕對型編碼器有兩種類(lèi)型，單圈和多圈。單圈絕對型編碼器旋轉一圈后自動(dòng)回到零;多圈絕對型編碼器旋轉到編碼器最大圈數、最大計數值自動(dòng)回到零。絕對型編碼器一般采用格雷碼盤(pán)編碼。格雷碼(GrayCode)在任意兩個(gè)相鄰的數之間轉換時(shí)，只有一個(gè)數位發(fā)生變化。以分辨率24四位二進(jìn)制碼盤(pán)為例。若絕對值編碼器采用二進(jìn)制8421碼盤(pán)，如圖1所示，兩個(gè)順序的編碼之間有一位或一位以上二進(jìn)制位置改變。例如：兩個(gè)順序的二進(jìn)制碼，從0111變到1000,二進(jìn)制碼的所有位都改變它們的狀態(tài)。在改變狀態(tài)的過(guò)渡時(shí)刻得到讀數可能是錯誤的。即位置的同步和采樣變得非常困難。

而采用二進(jìn)制格雷碼盤(pán)，如圖2所示，兩個(gè)順序的編碼之間，從最后一位碼到第一位碼，只有一位二進(jìn)制位置改變，這樣使位置的同步和采樣變得準確、簡(jiǎn)單、可行。關(guān)于自然二進(jìn)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(xiàn)型輸出、變送一體型輸出。下面對其輸出方式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 并行輸出

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

①必須是格雷碼，因為如是純二進(jìn)制碼，在數據刷新時(shí)可能有多位變化，讀數會(huì )在短時(shí)間里造成錯碼。

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

③傳輸距離不能遠，一般在一兩米，對于復雜環(huán)境，最好有隔離。

④對于位數較多，要許多芯電纜，并要確保連接優(yōu)良，由此帶來(lái)工程難度，同樣，對于編碼器，要同時(shí)有許多節點(diǎn)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(guò)約定，在時(shí)間上有先后的數據輸出，其連接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。SSI接口如RS422模式，以?xún)筛鶖祿€(xiàn)、兩根時(shí)鐘線(xiàn)連接，由接收設備向編碼器發(fā)出中斷的時(shí)鐘脈沖，絕對位置值由編碼器與時(shí)鐘脈沖同步輸出至接收設備。由接收設備發(fā)出時(shí)鐘信號觸發(fā)，編碼器開(kāi)始輸出與時(shí)鐘信號同步的串行信號。串行輸出連接線(xiàn)少，傳輸距離遠，提高了編碼器的可靠性和保護。一般高位數的絕對編碼器都是用串行輸出的。

2.3 現場(chǎng)總線(xiàn)型輸出(異步串行)

現場(chǎng)總線(xiàn)型編碼器是多個(gè)編碼器各以一對信號線(xiàn)連接在一起，通過(guò)設定地址，用通訊方式傳輸信號，信號的接收設備只需一個(gè)接口，就可以讀多個(gè)編碼器信號。

總線(xiàn)型編碼器信號遵循R S 4 8 5的物理格式，目前有多種通訊規約，各有優(yōu)點(diǎn)，還未統一，編碼器常用的通訊規約有如下幾種：PROFIBUS-DP;CAN;DeviceNet等。

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

2.4 變送一體型輸出

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

針對絕對值編碼器的常見(jiàn)輸出信號形式即同步串行輸出(SSI)，提出采用光纖傳輸的方法，從而提高編碼器信號的抗干擾能力以及施工接線(xiàn)的方便性。工業(yè)串口光纖Modem將RS-232/422/485電信號直接調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，提高了數據通訊的可靠性、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。如圖3所示，編碼器端輸出的同步串行RS-422數據信號通過(guò)接口變換電路轉換為T(mén)TL信號，然后經(jīng)過(guò)光電轉換器件變換為光信號進(jìn)行傳輸。同樣，RS-422的時(shí)鐘同步信號由接收端通過(guò)相同的方式進(jìn)行轉換，所不同的是數據信號和時(shí)鐘同步信號轉換后的光波長(cháng)不相等，然后通過(guò)多模光纖來(lái)傳播。