具有停頓點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼方法

旋轉(zhuǎn)編碼器，在旋轉(zhuǎn)時(shí)可以產(chǎn)生相位相差九十度的兩路數(shù)字脈沖信號，兩路脈沖信號相位的先后關(guān)系，可以代表旋轉(zhuǎn)方向，如圖1 所示。（a）代表順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A 路脈沖領(lǐng)先于B 路脈沖，A 路脈沖的上升沿對應(yīng)B 路脈沖的低電平；（b）顯示逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，B 路脈沖領(lǐng)先于A 路脈沖，A 路脈沖的上升沿對應(yīng)B路脈沖的高電平。

(a)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)	(b)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)

圖1 兩路脈沖相位關(guān)系

通常將一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器等同于兩個(gè)按鍵，利用CPU（中央處理器）或FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）掃描按鍵狀態(tài)的變化。在被掃描按鍵的一端施加低電平，從按鍵的另一端回讀電平高低，電平變化了，代表按鍵狀態(tài)發(fā)生了變化，使用者操作了按鍵；旋轉(zhuǎn)編碼器對應(yīng)的兩個(gè)按鍵的組合狀態(tài)發(fā)生了變化，則表示操作了旋轉(zhuǎn)編碼器，新的組合狀態(tài)與之前的組合狀態(tài)共同指示了旋轉(zhuǎn)方向。對旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)動操作進(jìn)行編碼的關(guān)鍵就是旋轉(zhuǎn)方向的判決。

旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)一周， 兩路信號A、B 包含固定數(shù)目的脈沖周期，下面論述中將其中一路數(shù)字脈沖信號的相鄰兩個(gè)上升沿之間的部分稱為一個(gè)脈沖周期。在圖1 中， 一個(gè)脈沖周期內(nèi)， 順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，對應(yīng)兩路脈沖信號A、B 電平的組合編碼依次為10 → 11 → 01 → 00 → 10， 逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)， 對應(yīng)兩路脈沖信號電平的組合編碼依次為11 → 10 → 00 → 01 → 11。當(dāng)組合狀態(tài)發(fā)生了10 到11的變化，可知發(fā)生了順時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)組合狀態(tài)發(fā)生了11 到10 的變化，可知發(fā)生了逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)。兩路脈沖信號配合，利用相互之間的相位關(guān)系，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)最多可以在00、01、10、11 這4 個(gè)狀態(tài)位置產(chǎn)生掃描計(jì)數(shù)。

1   帶停頓點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器

有的旋轉(zhuǎn)編碼器，為增強(qiáng)操作的手感或可控性，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)等間隔設(shè)置1、2 或4 個(gè)機(jī)械停頓點(diǎn)。圖2 是順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在一個(gè)脈沖周期中具有不同停頓點(diǎn)的四種情況示意，（a）表示無停頓點(diǎn)、（b）表示一個(gè)脈沖一個(gè)停頓點(diǎn)、（c）表示一個(gè)脈沖兩個(gè)停頓點(diǎn)、（d）表示一個(gè)脈沖四個(gè)停頓點(diǎn)；虛豎線處為停頓點(diǎn)穩(wěn)定位置。

在具體應(yīng)用中，一般只在停頓點(diǎn)穩(wěn)定位置處產(chǎn)生有效計(jì)數(shù)。在（a）、（d）兩種情況下，在一個(gè)脈沖周期中產(chǎn)生四個(gè)掃描計(jì)數(shù)；（b）、（c）情況下，在一個(gè)脈沖周期中分別產(chǎn)生一個(gè)和兩個(gè)有效的掃描計(jì)數(shù)。有些種類的數(shù)字化儀器或裝置，會同時(shí)使用這四種旋轉(zhuǎn)編碼器中的兩種或多種。具有停頓點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器，一般用于參數(shù)檔位的單步距增減；沒有停頓點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器，由于旋轉(zhuǎn)阻力很小，旋轉(zhuǎn)速度可以很快，一般用于需要連續(xù)快速調(diào)整的參數(shù)。

(a)無停頓點(diǎn)	(b)每周期一個(gè)停頓點(diǎn)
(c)每周期兩個(gè)停頓點(diǎn)	(d)每周期四個(gè)停頓點(diǎn)

圖2 停頓點(diǎn)位置

2   旋轉(zhuǎn)編碼器掃描編碼的實(shí)現(xiàn)

旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)兩路脈沖信號的4 種組合狀態(tài)，剛好是所有4 個(gè)兩比特組合數(shù)00、01、10、11，所以可以設(shè)計(jì)一個(gè)矩陣式編碼表格，根據(jù)前言中所述兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律，通過查表方式判決旋轉(zhuǎn)方向：表格行地址為兩路脈沖信號AB 的當(dāng)前狀態(tài)碼，表格列地址為兩路脈沖信號的前一狀態(tài)碼；表格中的數(shù)據(jù)，‘0’代表逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，‘1’代表順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其他任一數(shù)據(jù)如‘-1’代表無操作，如表1 所示。

針對上述旋轉(zhuǎn)編碼器一個(gè)脈沖周期中具有不同停頓點(diǎn)的四種情況，圖2（a）、圖2（d）兩種情況在四個(gè)位置產(chǎn)生掃描計(jì)數(shù)，直接使用表1。對于圖2（b）、圖2（c），只在當(dāng)前狀態(tài)為停頓點(diǎn)位置時(shí)產(chǎn)生有效的掃描編碼。對于圖2（b），停頓點(diǎn)狀態(tài)為“00”，所以僅保留表1 中當(dāng)前狀態(tài)碼為“00”的狀態(tài)有效，得到表2；對于圖2（c），停頓點(diǎn)狀態(tài)為“00”、“11”，僅保留當(dāng)前狀態(tài)碼為“00”和“11”的狀態(tài)有效，得到表3。這相當(dāng)于將表1 中非停頓點(diǎn)處的旋轉(zhuǎn)方向編碼設(shè)置為代表無操作的碼‘-1’，從而將停頓點(diǎn)處理功能與旋轉(zhuǎn)方向判決功能合并到同一個(gè)查詢表中。

下面以具有4 個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的一個(gè)項(xiàng)目為例簡要說明基于本文方法的旋轉(zhuǎn)編碼器掃描編碼的具體程序?qū)崿F(xiàn)。

4 個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，其中兩個(gè)每脈沖周期具有兩個(gè)停頓點(diǎn)，另兩個(gè)無停頓點(diǎn)；根據(jù)前面論述，對應(yīng)的編碼表分別為表3 和表1。據(jù)此可以編制查詢表rotCode 及編碼器類型定義表typeID。旋轉(zhuǎn)編碼器的掃描程序主要流程為：①上電獲取初始狀態(tài)作為前一狀態(tài)statHistAll（4 個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，共占用8 位）；②掃描旋轉(zhuǎn)編碼器狀態(tài)變化；③延遲去抖，得到當(dāng)前狀態(tài)statCurrAll（4 個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，共占用8 位）；④查表判決旋轉(zhuǎn)方向；⑤計(jì)算編碼值；⑥將前一狀態(tài)的值替換為當(dāng)前狀態(tài)的值。

關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及4 個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器掃描編碼的程序段如下。

當(dāng)經(jīng)過除抖動后確認(rèn)狀態(tài)發(fā)生了變化，即使在查表時(shí)發(fā)現(xiàn)是無效的旋轉(zhuǎn)位置，也要將前一狀態(tài)緩存中的狀態(tài)值更新為當(dāng)前狀態(tài)值，以保證查表邏輯的有效性。

一次查表實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向解碼及是否計(jì)數(shù)的指示，避免針對具有不同機(jī)械停頓點(diǎn)設(shè)置的旋轉(zhuǎn)編碼器編制繁雜的程序以判決旋轉(zhuǎn)方向及是否進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3   結(jié)論

根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器兩路脈沖信號狀態(tài)在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上的不同變化順序，以及停頓點(diǎn)位置，編制旋轉(zhuǎn)編碼器掃描解碼查詢表格，能夠同時(shí)適用于具有不同機(jī)械停頓點(diǎn)設(shè)置的旋轉(zhuǎn)編碼器，具有邏輯靈活統(tǒng)一、編碼簡潔高效的特點(diǎn)。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）