光电编码器信号传输的光纤实现

1.引言

光电编码器在现代电机控制系统中常用以检测转轴的位置与速度，是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的高精度角位置测量传感器。由于其具有分辨率高、响应速度快、体积小等特点，被广泛应用于电机控制系统中。

2.绝对值型光电编码器信号传输的光纤实现

编码器按信号输出形式分为绝对式编码器和增量式编码器。绝对式光电编码器具有输出量可与PLC模块、ARM或FPGA等器件直接接口，无累计误差等优点，但价格高、制造工艺复杂，不宜实现小型化。绝对型编码器有两种类型，单圈和多圈。单圈绝对型编码器旋转一圈后自动回到零;多圈绝对型编码器旋转到编码器最大圈数、最大计数值自动回到零。绝对型编码器一般采用格雷码盘编码。格雷码(GrayCode)在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。以分辨率24四位二进制码盘为例。若绝对值编码器采用二进制8421码盘，如图1所示，两个顺序的编码之间有一位或一位以上二进制位置改变。例如：两个顺序的二进制码，从0111变到1000,二进制码的所有位都改变它们的状态。在改变状态的过渡时刻得到读数可能是错误的。即位置的同步和采样变得非常困难。

而采用二进制格雷码盘，如图2所示，两个顺序的编码之间，从最后一位码到第一位码，只有一位二进制位置改变，这样使位置的同步和采样变得准确、简单、可行。关于自然二进制码与格雷码之间的换算关系可以参考相关文献。

绝对值编码器信号输出一般有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出。下面对其输出方式进行简单介绍。

2.1 并行输出

绝对值编码器输出的是多位数码(格雷码或纯二进制码)，并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0,对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下问题：

①必须是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。

②所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0,造成错码而无法判断。

③传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。

④对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。

2.2 同步串行(SSI)输出

串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。SSI接口如RS422模式，以两根数据线、两根时钟线连接，由接收设备向编码器发出中断的时钟脉冲，绝对位置值由编码器与时钟脉冲同步输出至接收设备。由接收设备发出时钟信号触发，编码器开始输出与时钟信号同步的串行信号。串行输出连接线少，传输距离远，提高了编码器的可靠性和保护。一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。

2.3 现场总线型输出(异步串行)

现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址，用通讯方式传输信号，信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号。

总线型编码器信号遵循R S 4 8 5的物理格式，目前有多种通讯规约，各有优点，还未统一，编码器常用的通讯规约有如下几种：PROFIBUS-DP;CAN;DeviceNet等。

总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。

2.4 变送一体型输出

其信号已经在编码器内换算后直接变送输出，其有模拟量4-20mA输出、RS485数字输出、14位并行输出等。

针对绝对值编码器的常见输出信号形式即同步串行输出(SSI)，提出采用光纤传输的方法，从而提高编码器信号的抗干扰能力以及施工接线的方便性。工业串口光纤Modem将RS-232/422/485电信号直接调制成光信号在光纤上传输，解决了电磁干扰、地环干扰和雷电破坏的难题，提高了数据通讯的可靠性、安全性和保密性，适合我方对电磁干扰环境有特殊要求的某控制系统。如图3所示，编码器端输出的同步串行RS-422数据信号通过接口变换电路转换为TTL信号，然后经过光电转换器件变换为光信号进行传输。同样，RS-422的时钟同步信号由接收端通过相同的方式进行转换，所不同的是数据信号和时钟同步信号转换后的光波长不相等，然后通过多模光纤来传播。