CC BY
162
ПРИКЛАДНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ПРИБОРЫ
УДК 681.7.067.2
КОДИРУЮЩАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ДЛЯ ВОСЬМИРАЗРЯДНОГО ОДНОДОРОЖЕЧНОГО АБСОЛЮТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ЭНКОДЕРА
А.А. Мосур, А.П. Шведов
Рассмотрены преимущества использования однодорожечных абсолютных оптических энкодеров, области их применения и существующие варианты реализации кодирующих последовательностей для них. Предложен вариант конструктивной реализации восьмиразрядного абсолютного однодорожечного энкодера, построенного на основе оригинальной кодирующей последовательности, обеспечивающей высокую разрешающую способность.
Ключевые слова: абсолютный однодорожечный оптический энкодер, кодирующая последовательность.
Под абсолютными энкодерами подразумевают датчики угла поворота, каждому положению вала которых соответствует определенный уникальный код, формируемый на его выходе. Благодаря такому способу кодирования углового положения вала отслеживание положения вала обеспечивается даже в условиях пропадания напряжения питания, а сигнал положения передается в виде цифрового кода [1].
Энкодеры находят свое применение в упаковочной, пищевой, бумажно-печатной, текстильной, деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, системах автоматизации и телекоммуникации, станках, лифтах. Особенным спросом на энкодеры в последнее время пользуются солнечные фермы, где энкодер позволяет соблюдать направленность фотоэлектрических модулей на основе движения Солнца, тем самым повышая КПД вырабатываемой энергии.
Измерительная система абсолютного оптического энкодера состоит из поворотной оси, монтированной на двух подшипниках, кодового диска, установленного на ось, а также оптоэлектронной считывающей матрицы и
214
схемы обработки сигнала. В качестве источника света служит светодиод, инфракрасные лучи которого просвечивают кодовый диск и попадают на фототранзисторную матрицу, расположенную с обратной стороны кодового диска. При каждом шаге углового положения кодового диска темные участки кода предотвращают попадание света на те или иные фототранзисторы фототранзисторной матрицы. Таким образом, темные - светлые участки каждой из дорожек будут отображены на фототранзисторной матрице и преобразованы в электрические сигналы. Электрические сигналы, в свою очередь, подготавливаются компараторами для выдачи в виде я-бит бинарного сигнала.
Для преобразования углового положения в цифровом виде на поверхность растрового диска наносят бинарный код (БК). В настоящее время широкое распространение получил код Грея - система счисления, в которой два соседних значения различаются только в одном разряде, что обеспечивает высокую помехозащищенность устройств, применяющих данный БК. Пример реализации растрового диска, использующего код Грея, для трехразрядного многодорожечного абсолютного энкодера приведен на рис. 1.
Рис.1. Растровый диск на основе кодировки Грея
Наиболее часто на практике применяется рефлексивный двоичный код Грея, который обеспечивает простой алгоритм декодирования углового положения. Поэтому в большинстве случаев под термином «код Грея» понимают именно рефлексивный бинарный код Грея [2], хотя в общем случае существует бесконечное множество кодов Грея для систем счисления с любым основанием.
Современные тенденции минимизации накладывают все более жесткие требования к массогабаритным характеристикам датчика. Решить задачу минимизации можно путем перехода от многодорожечного кода к однодорожечному. На фоне этого особый интерес представляют однодо-рожечные абсолютные энкодеры, у которых растровый диск содержит только одну кодирующую дорожку. Достоинством однодорожечных энко-
стах
деров является простота конструкции за счет того, что кодирующая дорожка расположена только по периметру растрового диска, а остальная поверхность диска может использоваться для расположения необходимых конструктивных элементов.
Кодирующая последовательность, обеспечивающая реализацию кода Грея, размещенного только на одной дорожке, была разработана в 1994 году новозеландским инженером Брюсом Спеддингом и впоследствии уточнена Хильтгеном, Патерсоном и Брандестини [2].
К примеру, реализация кода Спеддинга заключается в том, что оп-топары распределены равномерно с угловым шагом 360/п, кодирующая последовательность в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов размещается на одной дорожке. При этом максимальное количество прозрачных секторов стах в зависимости от разрядности энкодера определяется выражением
1, если п < 6;
2, если 6 < п < 10;
3, если 11 < п < 16;
4, если 17 < п < 23; 5, если24 < п < 32 ит.д.,
где п - разрядность энкодера (количество используемых оптопар).
Угловой размер прозрачных секторов рассчитывается по выражению
а I = (2 • г ■ с +1) • а
где с - принятое количество прозрачных секторов; г = 1...стах - номер сек-
360
тора; а - угловой размер г-го сектора, а =-град - разрешающая спо-
2 ■ п ■ с
собность энкодера.
Угловой размер в непрозрачных секторов вычисляется по выражению
Р = я ■ с +1,
где я - натуральное число.
Недостатком данного способа кодирования является малая разрешающая способность (табл. 1).
Пример реализации растрового диска на основе кодировки Спед-динга для 9-разрядного энкодера приведен на рис. 2 [3].
В связи с вышесказанным на кафедре «Приборы управления» Тульского государственного университета коллективом авторов был разработан модифицированный способ кодирования для 8-разрядного энкодера, который базируется на принципе Нониуса, заключающемся в совместном использовании двух шкал: грубой и точной.
Таблица 1
Сравнительная характеристика разрешающей способности кодировок
Спеддинга и Грея
Разрядность энкодера Разрешающая способность
Код Спеддинга [°] Код Грея[°]
4 45.00 22.5
5 36.00 11.25
6 15.00 5.625
9 10.00 0.703125
12 5.00 0.087890625
15 4.00 0.010986328
18 2.50 0.001373291
20 2.25 0.000343323
Рис.2. Растровый диск, сформированный по методу Спеддинга
Основная шкала реализуется с помощью 8 фотоинтеррапторов, равномерно расположенных (с шагом 45 градусов) на некотором радиусе от оси вращения растра, и большого сектора с угловым размером 90 градусов (рис. 3).
фотоинтерраптор
вращающийся диск
3
Рис. 3. Основная шкала энкодера
Таким образом, при повороте на каждые 45 градусов сектором будет закрываться одна из 8 пар соседних фотоинтеррапторов.
При этом определение угла с точностью до 45 градусов реализуется по следующему алгоритму.
1. Определяются сигналы с 8 фотоинтеррапторов, в результате чего получается 8-разрядное целое число.
2. Далее число к раз сдвигается вправо (при этом младший бит переноситься в старший) до тех пор, пока два младших бита не примут значения логической 1 (здесь и далее логической единице сопоставляется непрозрачная часть кодирующей дорожки).
3. Рассчитывается угол поворота диска у по выражению
В общем случае, Нониус может быть реализован с помощью малых секторов, нанесенных на оставшуюся часть обода диска таким образом, чтобы при каждом малом повороте а перекрывался только один из открытых фотоинтеррапторов. При этом должны выполняться следующие условия.
1. Угол а должен целое число раз укладываться в угле 45 градусов, то есть удовлетворять выражению
где п - натуральное число.
2. Первый фотоинтерраптор при движении по часовой стрелке от сектора должна оставаться открытым.
Второе условие необходимо потому, что при его невыполнении становится затруднительным определение показаний основной шкалы. В свою очередь, перекрытие первого фотоинтерраптора при движении про-
7 = 45 ■ к [°].
(1)
па = 45°,
(2)
тив часовой стрелки допустимо, так как при перекрытии 3 фотоинтеррап-торов положение основного сектора может быть определено по первому закрытому фотоинтерраптору при движении против часовой стрелки.
Следует отметить, что малыми секторами поочередно могут перекрываться 5 из 6 открытых фотоинтеррапторов, т.е. представляется возможным фиксировать 6 дополнительных малых углов поворота диска в пределах 45 градусов (с учетом нулевого положения, когда все 6 фотоинтеррапторов открыты). Таким образом, для данного набора фотоинтеррапторов максимальное значение п в выражении (2) равно 6.
Следовательно, угол разрешения а для данного случая будет
45°
а
7,5°.
Угловой размер малого сектора должен иметь такое значение, чтобы обеспечить перекрытие сектора в диапазоне угла а, т.е. угловой размер малого сектора равен 7,5 градусам.
Шаг расположения малых секторов необходимо выбирать из условия, что перекрытие каждого последующего фотоинтерраптора должно осуществляться через каждые 7,5 градусов поворота диска. Таким образом, шаг р расположения секторов может быть определен выражением
р = 45°-а = 45°-7.5° = 37.5°, т.е. для реализации нониуса необходимо нанести сектора с угловым размером 7.5° с шагом 37.5° (рис. 4), что позволит увеличить разрешение до 7.5°.
цнтирр;
сектор Вешающийся диск
—I /малый еектио
а
б
в
6
Рис. 4. Датчик угла на принципе нониуса: а - исходное положение; б - повернуто на 7,5 градусов; в - повернуто на 15 градусов
Предложенный вариант кодирования обеспечивает увеличение разрешающей способности энкодера, в сравнении с методом Спеддинга, при более 8 фотоинтеррапторах (см. табл. 1).
Следует отметить, что при вращении основной шкалы в каждый момент времени используются только 3 - 4 фотоинтерраптора из 8 (рис. 4). Задействовав большее количество фотоинтеррапторов, возможно повысить разрешающую способность предложенного энкодера.
Для этого на свободную часть окружности (см. рис. 3) наносится двоичный цифровой код. При этом предпочтительно использовать код Грея, который обладает высокой помехозащищенностью.
При формировании двоичного кода необходимо обеспечить выполнение следующих условий:
- первый фотоинтерраптор при движении по часовой стрелке от сектора должен оставаться открытым;
- необходимо исключить значения кода Грея, дающие неоднозначность положения диска относительно корпуса стенда.
Первое условие объясняется теми же причинами, что и для основной шкалы.
Второе условие вытекает из следующих факторов. Грубое определение положения диска (с точностью до 45 градусов) определяется путем сдвиговых операций, пока два младших бита не примут значения логической единицы, а старший - логического нуля. При этом некоторые значения 8-разрядного двоичного кода при сдвиговых операциях могут образовывать другие, которые удовлетворяют данному условию. К таким значениям относятся следующие 12 кодов:
1) 00110011 (при 4 сдвигах вправо образуется код 00110011);
2) 00111011 (при 3 сдвигах вправо образуется код 01100111);
3) 01100111 (при 5 сдвигах вправо образуется код 00111011);
4) 01100011 (при 5 сдвигах вправо образуется код 00011011);
5) 00011011 (при 3 сдвигах вправо образуется код 01100011);
6) 01101011 (при 5 сдвигах вправо образуется код 01011011);
7) 01011011 (при 3 сдвигах вправо образуется код 01101011);
8) 01111011 (при 3 сдвигах вправо образуется код 01101111);
9) 01101111 (при 5 сдвигах вправо образуется код 01111011);
10) 01110111 (при 4 сдвигах вправо образуется код 01110111);
11) 01110011 (при 4 сдвигах вправо образуется код 00110111);
12) 00110111 (при 4 сдвигах вправо образуется код 01110011).
Таким образом, приведенные выше значения кодов необходимо исключить. Однако, можно ограничится не 12 отбрасываемыми запрещенными кодами, а только 7, введя дополнительные условия определения количества сдвиговых операций к.
1. Старший бит 8-мибитного кода равен 0.
2. Два младших бита 8-мибитного кода равны 1.
3. Количество единичных бит старшей тетрады меньше количества единичных бит младшей.
4. Код не равен 01101011.
В этом случае необходимо исключить только 7 кодов: 00110011, 00111011, 01100011, 01111011, 01110111, 01110011 (не удовлетворяют ус-
ловию 3) и 01101011 (не удовлетворяет условию 4). Оставшиеся 5 запрещенных кодов при сдвигах вправо принимают значения, запрещенные условиями 3 и 4, поэтому могут быть сохранены.
Учитывая приведенные условия, количество возможных комбинаций п кода в пределах 45 градусов поворота диска определяется выражением
п = 25 -7 = 25.
Таким образом, разрешающая способность энкодера по выражению (2) составит
45°
а = —— = 1,8° 25
Диск с основной шкалой и модифицированным кодом Грея показан на рис. 5.
Рис. 5. Датчик угла, сформированный по авторской методике
Определение угла с точностью до 1,8 градусов реализуется по следующему алгоритму.
1. Определяются сигналы с 8 фотоинтеррапторов, в результате чего получается 8-разрядное двоичное число.
2. 8-разрядное число к раз сдвигается вправо (при этом младший бит переноситься в старший) до тех пор, пока не выполняться условия:
- старший бит 8-битного кода равен 0;
- два младших бита 8-битного кода равны 1;
- количество единичных бит старшей тетрады меньше количества единичных бит младшей;
- код не равен 01101011.
3. 8-разрядное число два раза сдвигается вправо (в старшие биты заносятся нули). При этом получается обычный 5-разрядный код Грея.
4. Код Грея преобразуется в обычный бинарный код. В результате получается число т.
Ч =
5. Далее вычисляется число ч в соответствии с выражением
т - 7, если т > 22,
т - 5, если 22 > т > 19, т - 3, если 19 > т > 16, т - 2, если 16 > т > 11, т -1, если 11 > т > 8, т, если 8 > т > 0.
6. Угол поворота диска у рассчитывается по выражению
у = 45°-к +1.8°-ч [°].
Пункт 5 алгоритма обусловлен исключением из кода Грея 7 запрещенных значений в соответствии с табл. 2.
При конструктивной реализации энкодера основной задачей является обеспечение требуемого расположения фотоинтеррапторов относительно растрового диска.
Данная задача может быть решена за счет введения дополнительных корпусных деталей, обеспечивающих позиционирование оптопар и крепления растрового диска относительно вала. Вариант конструкции энкодера с разрешающей способностью 1,8 градуса приведен на рис. 6.
Таблица 2
Преобразование стандартного кода Грея в модифицированный
Значение кода в прямом бинарном коде Стандартный 5-битный код Грея Значение кода в прямом бинарном коде Модифицированный 5-битный код Грея
1 2 3 4
0 00000 0 00000
1 00001 1 00001
2 00011 2 00011
3 00010 3 00010
4 00110 4 00110
5 00111 5 00111
6 00101 6 00101
7 00100 7 00100
8 01100 Запрещенное значение
9 01101 8 01101
10 01111 9 01111
11 01110 Запрещенное значение
12 01010 10 01010
13 01011 11 01011
Окончание табл. 2
1 2 3 4
14 01001 12 01001
15 01000 13 01000
16 11000 Запрещенное значение
17 11001 14 11001
18 11011 15 11011
19 11010 Запрещенное значение
20 11110 Запрещенное значение
21 11111 16 11111
22 11101 Запрещенное значение
23 11100 Запрещенное значение
24 10100 17 10100
25 10101 18 10101
26 10111 19 10111
27 10110 20 10110
28 10010 21 10010
29 10011 22 10011
30 10001 23 10001
31 10000 24 10000
3
Рис.6. ЗБ-модель полученного 8-разрядного абсолютного оптического энкодера: 1 - корпус; 2 - растровый диск; 3 - фотоинтерраптор; 4 - крепёж для растра
Данная конструкция успешно применена для измерения угла поворота вала вращающего одноосного стенда (рис. 7).
Рис. 7. Модифицированный испытательный стенд: а - общий вид; б - использование свободного пространства I; в - использование свободного пространства II
Преимуществом такого расположения энкодера является сохранение габаритных размеров стенда, за счет использования только внутреннего свободного пространства стенда. Полученное расположение обеспечивает конструктивную возможность реализации оптического канала передачи данных, за счет использования части поверхности растра.
На основании вышесказанного можно заключить, что разработка методов углового кодирования однодорожечных энкодеров является перспективной задачей, так как особенность взаимного расположения оптопар и использование всего лишь одной дорожки кода, позволяет существенно упростить конструкцию узла или прибора в целом.
Согласно вариантам полученного кода можно утверждать, что разработанный метода не совершенен так как не дает полной разрешающей способности по сравнению с классическим кодом Грея, однако в разы превосходит существующий аналог Спддинга. Вопрос о помехозащищённости разработанного кода в текущий момент является открытым, так как она не достигает значения в 1 бит. Однако полученные данные и методика даже на текущий момент позволяет реализовывать однодорожечные абсолютные энкодеры n разрядности и применять их на практики для реализации более простых конструкций и модификации существующих
Список литературы
1. Принцип работы оптического энкодера [Электронный ресурс] // [сайт]. URL: http://www.hubner.ru/ain.html (дата обращения 10.03.2016).
2. Википедия: Описание кода Грея [Электронный ресурс] // [сайт]. URL: http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=Коды_Грея (дата обращения 10.08.2016).
3. Патент на однодорожечный энкодер Спеддинга: [Электронный ресурс] // [сайт]. URL:http://www.winzurf.co.nz/Single_Track_Grey_Code_Patent/ Single_track_Grey_code_encoder_patent.pdf (дата обращения 15.09.2016).
Мосур Александр Андреевич, инж., [email protected], Россия, Тула, АО
«КБП»,
Шведов Антон Павлович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE CODING SEQUENCE FOR EIGHT DIGIT ONE-TRACK ABSOLUTE OPTICAL ENKODER
A.A. Mosur, A.P. Shvedov
Advantages of use of one-track absolute optical enkoder, areas of their application and the existing options of implementation of the coding sequences for them are considered.
The option of constructive implementation of the eight-digit absolute one-track en-koder constructed on the basis of the original coding sequence for providing high resolution capacity is offered.
Key words: an absolute one-track optical enkoder, the coding sequence.
Mosur Alexander Andreevich, engineer, [email protected], Russia, Tula, JSC «Instrument Design Bureau of A. G. Shipunov»
Swedow Anton Pavlovich, candidate of technical sciences, docent, shve-dov_anton@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University.
