绝对式编码器2

第３１卷第２期ｊ峡大学学报（自然科学版）

Ｖ０１．３１Ｎｏ．Ｚ２００９年４月

ＪｏｆＣｈｉｎａＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＵｎｉｖ．（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ）

Ａｐｒ．２００９

Ｌａｂｖｉｅｗ环境下的绝对式编码器角度测量仪的设计

张

力

（三峡大学机械与材料学院，湖北宜昌４４３００２）

摘要：在分析了绝对武编码器工作原理的基础上，采用编码器、通用采集卡和ＰＣ机构建了虚拟测

量仪．应用Ｌａｂｖｉｅｗ软件编制了角度测量程序，此程序实现了对编码器发出格雷码信号的循环采样以及对从格雷码到二进制码再到角度测量值的转换．文章设计的虚拟仪器较传统仪器具有开发周期短、成本低、可靠性强和功能可自定义的特点．关键词：绝对式编码器；角度测量；Ｌａｂｖｉｅｗ；格雷码；

虚拟仪器

中图分类号：ＴＰ２１６

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２—９４８Ｘ（２００９）０２—００６６－０３

ＤｅｓｉｇｎｏｆＡｂｓｏｌｕｔｅＥｎｃｏｄｅｒＭｅａｓｕｒｉｎｇＡｎｇｌｅＢａｓｅｄ

ｏｎ

Ｌａｂｖｉｅｗ

ＺｈａｎｇＬｉ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＭａｔｅｒｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＵｎｉｖ，Ｙｉｅｈａｎｇ４４３００２，Ｃｈｉｎａ）

ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄ

ｏｎ

ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｂｓｏｌｕｔｅｅｎｃｏｄｅｒ，ａｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓ

ｓｅｔ

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ＤＡＱｃａｒｄａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ；ａｎｄｐｒｏｇｒａｍｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｇｌｅｉｓ

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＬａｂｖｉｅｗｆｏｒａｂｓｏｌｕｔｅｅｎｃｏｄｅｒ．Ｔｈｉｓ

ｐｒｏｇｒａｍｃｏｌｌｅｃｔｓＧｒａｙｃｏｄｅｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｆｒｏｍａｂｓｏｌｕｔｅｅｎｃｏｄｅｒ；ａｎｄｉｔｄｅｃｏｄｅｓｆｒｏｍＧｒａｙｃｏｄｅｉｎｔｏｂｉｎａｒｙｃｏｄｅ，ｔｈｅｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｓｂｉｎａｒｙｃｏｄｅｉｎｔｏａｎｇｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎ．ＴｈｅｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙＬａｂｖｉｅｗｈａｓｓｏｍｅｍｅｒｉｔｓｃｏｍｐａｒｅｄ

ｔｏ

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ｔｉｏｎａｌｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ｅｔｃ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ

ａｂｓｏｌｕｔｅｅｎｃｏｄｅｒ；ｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｇｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；Ｌａｂｖｉｅｗ；

Ｇｒａｙｃｏｄｅ；

ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

Ｌａｂｖｉｅｗ是美国ＮＩ公司推出的基于计算机软、码器仅能测量相对于前一位置转动的角度．绝对式编硬件的虚拟仪器开发平台．它配以相应功能的硬件作码器可以得到所测物体任意时刻所处的具体角度位为信号输入和输出的接口，利用仪器软件在计算机的

置．绝对式编码器较增量式具有许多优点：角度坐标屏幕上虚拟出仪器的面板和相应的功能。然后可通过

值从绝对编码盘中直接读出，不会有累积进程中的误鼠标和键盘操作仪器．虚拟仪器具有智能化、多样化计数；编码器本身具有机械式存储功能，即使因停电和模块化的特点，可在通用的硬件平台上，通过软件或其它原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝

来定义仪器的功能，实现不同传感器的测量要求．

对坐标位置．

文章利用Ｌａｂｖｉｅｗ设计以绝对式光电编码器为绝对式编码器是通过读取编码盘上的扇区代码传感元件的虚拟仪器，建立图形化的操作面板，以完来获得角度坐标的，扇区代码的编码方式分为二进制成对仪器的信号采集，数据分析和显示．

码和格雷码两种．图１所示是二进制编码盘，码盘的圆周上刻有４条码道，１６个扇区，代表４位二进制数

１绝对式光电编码器的测量原理

码的１６种连续取值．假定处于圆周最外围的码道代

表数码的最低位，离圆心最近的码道代表数码的最高编码器一般分为增量式和绝对式两种．增量式编

位．码盘上的黑色部分做透光处理，用来表示高电平

收稿日期：２００８—０３—０４通讯作者：张

力（１９７０一），男．副教授，硕士，主要研究方向为机电一体化技术

万方数据

第３１卷第２期张力Ｌａｂｖｉｅｗ环境下的绝对式编码器角度测量仪的设计

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“１”；白色部分做遮光处理，表示低电平“０”．１６个扇区分别对应二进制的００００、０００１、…、１１１１．如果每个

码道配置一个光敏二极管，如码盘前的发光二极管照

射，则码盘后的光敏二极管可读取代表码盘位置的二进制数，把二进制数转换为十进制数，就可知测量物

体的角度坐标值。如二进制的“１１０１”，读出的是扇区数为“１３”的角度坐标值．

由于编码盘的二进制编码方式使相邻的扇区之间的码值不止ｌ位发生变化，可能由各种不精确因素而导致出现读数失误，因此绝对式编码器在码盘设计

中，通过采用新的编码技术，即葛莱码编制，码盘如图

２所示．它的特点是在任意两个相邻的扇区之ｆＢ】转换

时，只有１个数位发生变化，所以能把误读控制在１

个数位之内，提高了可靠性［１‘２ｊ．

１

４位二机制码盘不意图图２４位葛莱码盘示意图

绝对式编码器一般采用格雷码编码器，应用格雷

码编码器检测物体的角位置时，编码器输出的是格雷

码，因而要测量物体的角度坐标，必须把格雷码转换

为二进制码．图ｌ和图２所示的编码盘的码道数目为

４条，实际上为了提高测量分辩率，往往增加编码盘

的码道数目．文章选用的编码器码道数为１６条，现设该编码器的二进制码为Ｄ，ｓ～Ｄ。，格雷码为Ｄ７。。～Ｄ７。，则格雷码转换为二进制码的方法为

Ｄ１５＝Ｄ’１

ｓ

ｏ

０

（１）Ｄｍ。＝Ｄ卜。④Ｄ７１

５－－ｎ

（２）

式中，卵依次为１至１５的整数，ｏ代表两个二进制数

相异或．

２虚拟仪器的软件设计

选用上海精浦机电公司型号为ＧＡＳ６０Ｒ１６Ｅ１０ＰＡ的单罔绝对式编码器，分辩率为１６位６５５３６线，

格雷码编码方式，并行电压型输出，电气连接为轴向后出，安装形式为法兰夹紧，可直接连接各种测试设备．同时选用ＮＩ公司数据采集卡，型号为ＰＣＩ一

６０２５Ｅ，它具有３２位数字线，可设置４个数字通道，每

个通道可接８位数据线．

万方数据

Ｌａｂｖｉｅｗ虚拟仪器程序ＶＩ由前面板和框图程序

组成，前面板是人机交互的界面，界面上有用户输入

和显示输出两类控件，框图程序则是用户编制的程序源代码，以控制和定义在前面板上的控件输入和输出

功能．图３为绝对式编码器的角度测量源程序．

Ｉ謇１

３绝对式编码器的角度测量源程序

图３中源程序调用ｒ两个用于从采集卡数字通

道读取数据的ＶＩ（ＶＩ相当于已封装好的子程序），即

ＲｅａｄｆｒｏｍＤｉｇｉｔａｌＰｏｒｔ．ＶＩ，这两个ＶＩ的采集卡设备

号和数字通道号分别为１、０和１、１．由于数字通道号

为０的ＶＩ读取从编码器输出的低８位数据线，数字

通道号为１的ＶＩ读取高８位数据线，而且该类ＶＩ输

出的是无符号整型数，所以要把数字通道号为１的

ＶＩ输出的整型数乘以２５６，再加上数字通道号为０的

ＶＩ输出的整型数，才得到了１６位数据线所表示的整型数．这个反映１６位格雷码的整型数。输入到图３中

总循环次数为１６的Ｆｏｒ循环结构中，以实现格雷码转换为二进制码．

１６位整型数引入ＮｕｍｂｅｒＴｏＢｏｏｌｅａｎＡｒｒａｙ函数，将整型数转换为布尔值数组，整型数的二进制格

式各个位的０和１，转换为数组各个成员的Ｆａｌｓｅ和Ｔｒｕｅ，其二进制格式的最低位对应数组索引号０的成

员．若该数组输入到索引数组函数ＩｎｄｅｘＡｒｒａｙ，就可

以根据索引号Ｉｎｄｅｘ．提取对应的数组成员．

由于Ｆｏｒ循环结构的第一次循环的当前循环次数ｉ为０，则函数ＩｎｄｅｘＡｒｒａｙ的索引号应为ｉ—ｌ＝

１５，于是利用该函数把１６位格雷码的最高位Ｄ７．；的

布尔值从数组中提取出来，与移位寄存器左端子的初

值Ｆａｌｓｅ相异或，得到了二进制码的最高位Ｄ，。的布尔值，并将其传递给移位寄存器的右端子，这就实现了式（１）的算法．第二次循环的当前循环次数ｉ变为

１，函数ＩｎｄｅｘＡｒｒａｙ索引得到的是格雷码的Ｄ。；位．

由于每次循环，Ｆｏｒ结构的移位寄存器左端子向循环内输出的值是上个循环移位寄存器右端子的内容，于是与格雷码的Ｄ’，．位相异或的是二进制码的Ｄ，。位，

它们得到的结果根据式（２）应为二进制码的Ｄ，。位，

再把Ｄ¨位传递给移位寄存器的右端子作为下一循

６８三峡大学学报（自然科学版）２００９年４月

环左端子的内容．以此类推，Ｆｏｒ循环结构循环１６次，就可把１６位格雷码布尔值转换为１６位二进制数布尔值．

因为Ｆｏｒ循环结束后得到的１６位二进制码布尔值数组的成员前后顺序正好相反，所以要用Ｒｅｖｅｒｓｅ

１Ｄ

Ａｒｒａｙ函数把原始数组前后倒转以得到符合要求

的数组，即数组成员的顺序为Ｄ，。至Ｄ。，该数组用

ＢｏｏｌｅａｎＡｒｒａｙＴｏ

Ｎｕｍｂｅｒ函数实现布尔值数组到

整型数十进制格式的转换，可得到被测物体转至编码器的当前扇区数，然后３６０。除以总扇区数６５５３６再乘以当前扇区数就获得了被测物体实时转角值．

图３中Ｆｏｒ循环结构外还有Ｗｈｉｌｅ循环结构，它的作用是每隔２０ｍｓ扫描一次采集卡数字端口，把１６位格雷码读到计算机中，进行数据处理并显示［３｛］．

程序源代码所支持的虚拟仪器前面板如图４所

示．

图４绝对式编码器的角度测量前面板

由于１６位绝对式编码器在３６０。码盘上的总扇区数为６５５３６，测量分辩率较高，所以该虚拟仪器以度、

分、秒的计量单位来显示所测的角度信息，同时显示

当前角度所在的扇区位置，即扇区数为何值．转角表的指针直观地指示出被测物体的角度位置，而反映角

万方数据

度位置的１６位格雷码和二进制码的布尔值数组，以指示灯数组的形式显示在前面板，以便于诊断格雷码误读现象㈨．

３

结

语

文章设计的虚拟仪器利用计算机软件替代复杂的硬件电路，采用绝对式编码器、通用采集卡和Ｉ。ａｂ—ｖｉｅｗ软件迅速搭建测量系统，它较之传统仪器具有开发周期短，成本低和可靠性强的特点，另外用户完全可自己定义功能，例如若所选用编码器的位数不是１６位，而是１２位或２４位等，用户只要打开源程序，重新设置数字端口和修改Ｆｏｒ循环次数和总扇区数，

即可适应不同位数的编码器角度测量的需要．

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６９．

［责任编辑

张

莉］