一文详解编码器格雷码

本文介绍格雷码，这是绝对编码器与控制器通信所必需的一种特殊二进制排列。

运行几乎所有现代控制系统的计算机处理器都使用一种独特的语言。开/关值与“二进制”系统相关，通常表示为1和0。该系统适用于大多数工业传感器，但一个常见的设备——编码器——提出了一些不寻常的挑战，需要相当专门的二进制安排来通信带控制器。这被称为格雷码。

编码器在系统中的作用

运动可能是制造、加工和分销的所有领域之间最常见的连接因素。很难找到任何不包括传送带、机器人或某种自动运动过程的工业设施。控制运动需要一定程度的反馈来验证所需的运动是否在正确的时间发生。对于旋转运动（电机），这种反馈通常采用编码器的形式。

有两种编码器：增量式和绝对式。

作为一个简单的比较，增量编码器跟踪旋转磁盘边缘周围的明暗标记之间的转换。

它们非常精确和快速，但由于它们在磁盘周围的所有路径都是相同的，所以唯一可以获得的信息是磁盘移动的速度以及在给定时间内它走了多远，就像看栅栏一样开车时的车窗。

绝对编码器盘具有从中心向盘边缘辐射的由明暗标记组成的复杂图案。该模式因磁盘旋转的位置而异。该信息不仅可以告诉磁盘旋转的速度和距离，还可以随时准确地告知磁盘的位置，即使电源循环。

这些绝对编码器具有一系列传感器以读取整个图案，并且由于有多个传感器，因此连接的控制器必须同时读取它们以获得当前位置数据。

绝对编码器时序问题

大多数这些绝对编码器有8到10个成排排列的传感器，以读取从中心辐射的暗/亮标记图案。这将与8位或10位输出有关。在任何时候，该模式都将包含00000000和11111111之间的某种组合，至少对于8位输出而言。如果模式遵循真正的二进制组合，这将分别是磁盘上的最低和最高模式。在磁盘上的某个点，它会立即从最高模式回落到最低模式，并再次开始增加。

如果读取这些传感器的控制器不能同时读取它们，则会出现时序问题。它从第一个传感器开始，当它到达第八个或第十个传感器时，我们最好的希望是模式自第一个传感器读数以来没有改变。如果多个传感器同时从亮变为暗，则控制器将开始读取旧模式上的传感器但完成新模式上的读取的可能性很小但可能。所以，二进制序列是一半旧一半新但完全不正确。这将被解释为从一个位置到另一个很远的位置的疯狂运动。

如果运动很慢并且控制器可以非常快速地读取传感器模式，那么问题可能不会很严重。不正确的读数可能仍然会出现，但只会在很长一段时间内出现一次。然而，编码器旋转得如此之快，以至于我们通常不得不选择专业的高速计数器模块来检查和跟踪读数。即使是典型数字输入模块的速度也不足以跟上。这意味着那些错误的读数预计会更频繁地发生。结果可能是液压阀瞬间打开以补偿感知到的“错误”（实际上并未发生）。此动作对设备造成的损坏可能是灾难性的，因此即使是罕见的情况也是不可接受的。

格雷码：传感器布置解决方案

减慢所有运动可能是一种可能的解决方案，但显然您不能只减慢整个系统的速度来获得更好的结果——这会降低优化和效率。

实际的解决方案要简单得多，但需要一点创造力才能理解。该解决方案是格雷码的实现，它涉及脱离标准二进制计数序列，以消除多个位同时更改的机会。

标准的二进制序列给每个位一个权重，就像我们的十进制系统有1、10和100的位置等。每次达到每个位置的最大值时，在下一次计数时所有位置都重置为0，所以只需就像如果你达到999，下一个值是1000，它将所有这些位置重置为0。

在二进制中，111可能是一个计数，然后在下一个计数1000中，这些位置都重置为0。请注意，有几个数字同时发生变化——这是使用二进制输出的编码器的问题。

格雷码以计数系统的创新者弗兰克格雷的名字命名。它并不表示编码盘上的黑/白图案有任何修改。对于8位格雷码，系统确实从000000开始，但每次下一次计数时，任何时候只有一个位可能发生变化。这样，控制器只能有两种可能的读数：

传感器阵列将在一位发生变化之前被读取，它将指示没有变化。

该数组将在该位更改后的片刻被读取，并且控制器将了解发生了小幅度的运动。

由于只有一位可以更改，因此不可能在某些位已正确更改而其他位未正确更改的更改中间读取数组。

格雷码实现

要在控制器中使用此格雷码系统，首先必须了解只有绝对编码器使用此排序系统。在增量编码器中，磁盘上只有一个明暗模式，因此没有模式，只有转换。

格雷码不是计数序列，因此如果您直接将其作为二进制数读取，它似乎不会在循环中进行，因此不会为您提供有关速度或位置的任何有用信息。

使用此格雷码输入的PLC或其他控制器必须设置高速计数器和将格雷码输入转换为二进制等效数的跟踪公式，以准确发送位置数据。一些PLC具有现成的此功能，但对于其他PLC，它必须由用户创建。