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　　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，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，無累計誤差等優點，但價格高、制造工藝復雜，不宜實現小型化。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一圈后自動回到零;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之間轉換時，只有一個數位發生變化。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。在改變狀態的過渡時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。關于自然二進制碼與格雷碼之間的換算關系可以參考相關文獻。

　　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，在數據刷新時可能有多位變化，讀數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，對于復雜環境，最好有隔離。

　　④對于位數較多，要許多芯電纜，并要確保連接優良，由此帶來工程難度，同樣，對于編碼器，要同時有許多節點輸出，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，以兩根數據線、兩根時鐘線連接，由接收設備向編碼器發出中斷的時鐘脈沖，絕對位置值由編碼器與時鐘脈沖同步輸出至接收設備。由接收設備發出時鐘信號觸發，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。一般高位數的絕對編碼器都是用串行輸出的。

　　2.3 現場總線型輸出(異步串行)

　　現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，通過設定地址，用通訊方式傳輸信號，信號的接收設備只需一個接口，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，目前有多種通訊規約，各有優點，還未統一，編碼器常用的通訊規約有如下幾種：PROFIBUS-DP;CAN;DeviceNet等。

　　總線型編碼器可以節省連接線纜、接收設備接口，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省成本。

　　2.4 變送一體型輸出

　　其信號已經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的方便性。工業串口光纖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數據信號通過接口變換電路轉換為TTL信號，然后經過光電轉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換，所不同的是數據信號和時鐘同步信號轉換后的光波長不相等，然后通過多模光纖來傳播。

　　3.增量式光電編碼器信號傳輸的光纖實現

　　增量式光電編碼器不具有計數和接口電路，價格較低，在實際工程中比較常用。

　　增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉換電路組成。如圖4所示。碼盤上刻有節距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期;檢測光柵上刻有A、B兩個與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過光源、碼盤之間的光線，從而使光電探測器件檢測到光信號。A、B各自的透光縫隙和碼盤上的透光縫隙相等，但A、B兩組透光縫隙錯開1/4節距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°電角度。A、B兩相相差90°的正交方波脈沖串，代表被測轉軸旋轉了一定的角度，A、B之間的相位關系則反映了被測轉軸的旋轉方向，即當A相超前B相90°，轉動方向為正轉;當B相超前A相90°，轉動方向為反轉;Z信號是一個代表零位的脈沖信號，可以用以調零、對位和重置計數器。

　　示意如圖5所示：

　　當碼盤隨著被測轉軸轉動時，光源、光欄板與檢測光柵均不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透光縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差90°電角度的近似于正弦波的電信號，正弦波電信號經過比較器，可以得到方波信號。一般增量式編碼器的輸出方式有電壓輸出、互補輸出、集電極開路輸出以及驅動器輸出。各種傳輸方式的電路如圖6所示：

　　由于我方的某控制系統遠離編碼器的安裝處，目前采用了驅動器輸出方式，驅動器輸出方式能提高信號的抗干擾能力，用與長距離傳輸。A、B、Z三路脈沖信號分別輸入驅動器，經驅動器反相后輸出相互正交的脈沖信號(脈沖幅度約3V左右)進行遠距離傳輸，通過檢測脈沖數即可知道被測轉軸的轉角或速度信息。信號如圖7所示：

　　采用三路相互正交的脈沖信號進行長距離傳輸，目的是為了提高信號的抗干擾能力。但是，一般編碼器的輸出信號均要求與強電分開傳輸，而在我方具體的應用系統中，單獨鋪設編碼器信號傳輸電路存在施工難度，而且增加了線路的復雜性。為此，考慮將編碼器輸出信號進行光電轉換，采用塑料光纖進行傳輸(塑料光纖作為工業級應用場合，具有柔韌性高、不易磨損等特點)。從而可以將光纖與強電纜在同一線槽中鋪設，提高信號傳輸抗干擾的同時，節省了步線空間并降低了綜合成本。針對輸出的A、B、Z三相脈沖信號，可以直接將其轉換為光信號(如圖8所示)，使光電編碼器的輸出方式統一規劃為光信號(電壓輸出、互補輸出、驅動器輸出、集電極開路輸出均可采用此種方法)，而在接收端通過光纖接收器將光信號轉換為電信號(如圖9所示)進入相應的處理電路，進行計數等處理。

　　選用美國安華高科(Avago TECHNOLOGIES)公司的HFBR-1523Z，HFBR-2523Z光纖收發器( 6 6 0納米)。這組光纖收發器最高傳輸速率4 0 K B d，工作溫度范圍0℃~70℃，最大工作電流25mA，光纖采用Ф1塑料光纖。此處需明確波特率和比特率的區別。波特(baud)是指信號大小方向變化的一個波形，編碼器輸出波特率為1024ps，即每秒傳輸信號波形變化1024個。一個信號波形可以包含一個或多個二進制位，例如單比特信號的傳輸速率為9600bit/s，則其波特率為9600baud，它意味著每秒可傳輸9600個二進制脈沖。

　　如果信號波形由2個二進制位組成，當傳輸速率為9600bit/s時，則其波特率只有4800baud.實驗中選擇光纖收發器的通信速率為40Kbps時，HFBR-1523Z(發射)，HFBR-2523Z(接收)光纖收發器可以滿足要求。圖10所示為從示波器上捕獲的波形。檢測發射器HFBR-1523Z的輸入DATE，波形如上面方波所示，經過電光轉換，然后通過塑料光纖傳輸，在接受器HFBR-2523Z的1引腳上檢測到的一幀接收號波形(下面)，實現了編碼器脈沖信號的光纖傳輸。

　　4.結論

　　綜上所述，采用光纖接口電路，輸入和輸出光信號能滿足要求的通訊速率，實現了編碼器輸出信號的光纖傳輸。使用光纖作為傳輸介質，編碼器端與控制系統間有良好的電氣隔離，也避免了電機啟動、運轉時產生的強電磁場環境對編碼器弱點脈沖信號傳輸的影響。