從增量值編碼器到絕對值編碼器
旋轉(zhuǎn)增量值編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設(shè)備來計算其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動，當(dāng)來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數(shù)設(shè)備計算并記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。
解決的方法是增加參考點，編碼器每經(jīng)過參考點，將參考位置修正進計數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點，開機找零等方法。
這樣的方法對有些工控項目比較麻煩，甚至不允許開機找零（開機后就要知道準(zhǔn)確位置），于是就有了絕對編碼器的出現(xiàn)。
絕對編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線。。。。。。編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。
絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。
從單圈絕對值編碼器到多圈絕對值編碼器
旋轉(zhuǎn)單圈絕對值編碼器，以轉(zhuǎn)動中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動超過360度時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼
只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對值編碼器。
如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍，就要用到多圈絕對值編碼器。
編碼器生產(chǎn)廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。
多圈編碼器另一個優(yōu)點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多，這樣在安裝時不必要費勁找零點，將某一中間位置作為起始點就可以了，而大大簡化了安裝調(diào)試難度。
絕對值編碼器長度測量的應(yīng)用
一．絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器的機械安裝：
絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器的機械安裝有高速端安裝、低速端安裝、輔助機械裝置安裝等多種形式。
1． 高速端安裝：安裝于動力馬達轉(zhuǎn)軸端（或齒輪連接），此方法優(yōu)點是分辨率高，由于多圈編碼器有４０９６圈，馬達轉(zhuǎn)動圈數(shù)在此量程范圍內(nèi)，可充分用足量程而提高分辨率，缺點是運動物體通過減速齒輪后，來回程有齒輪間隙誤差，一般用于單向控制定位。另外編碼器直接安裝于高速端，馬達抖動須較小，不然易損壞編碼器。
2． 低速端安裝：
安裝于減速齒輪后，如卷揚鋼絲繩卷筒的軸端或最后一節(jié)減速齒輪軸端，此方法已無齒輪來回程間隙，測量較直接，精度較高。
另外，GPMV0814機械轉(zhuǎn)數(shù)為90圈，用此方法較合理，如果卷筒轉(zhuǎn)數(shù)超過90圈，可用1：3或1：4齒輪組調(diào)整至轉(zhuǎn)數(shù)測量范圍內(nèi)。
3． 輔助機械安裝，收繩機械安裝：
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鋼絲繩彈簧收緊器原理圖
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1． 收拉鋼絲繩
2． 測量盤
3． 收緊彈簧輪1
4． 收緊彈簧輪2
5． 專用彈簧
6． 彈性聯(lián)軸器
7． 編碼器
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用鋼絲繩收繩器測量
油缸行程示意圖
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收繩機械有彈簧自收繩位移傳感器――柔性鋼絲繩連接運動物體，鋼絲繩盤緊在一個測量輪上，依靠恒力彈簧回收鋼絲繩。編碼器連接于盤緊測量輪軸端，測量鋼絲繩來回運動的旋轉(zhuǎn)角度。
重錘重力收繩：
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重錘浮子水位測量示意圖
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1編碼器
2聯(lián)軸器
3測量輪
4重錘收緊輪
5鋼絲繩
6浮子
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測量輪與恒力彈簧彈簧型相似，只是鋼絲繩的回收力是依靠另一個同軸的盤緊輪掛重錘來回收。
用收繩位移測量的優(yōu)點是柔性連接，測量直接而精度高，對運動物體的環(huán)境如震動、粉塵、高溫水氣的場合都能適用。
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機械絲杠、摩擦輪、小車輪軸中心、齒輪齒條連接
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在機械絲杠轉(zhuǎn)軸中心安裝編碼器，絲杠前進1個螺距，編碼器旋轉(zhuǎn)一周。
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通過帶摩擦阻力的摩擦轉(zhuǎn)輪，與相對運動物體摩擦轉(zhuǎn)動，測量運動距離。
注意：摩擦輪需始終緊靠測量物，且無跳動、打滑。（實際使用中，某些場合有難度）
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通過軌道小車的轉(zhuǎn)輪中心，安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，測量小車行進。
小車與軌道之間不可有打滑
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運動物連接齒條，帶動裝有齒輪的編碼器，測量運動物體移動距離
為保證連緊密抗震，經(jīng)常有彈簧基座。
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二．絕對值編碼器的信號輸出
絕對值編碼器信號輸出有并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出
1．并行輸出：
絕對值編碼器輸出的是多位數(shù)碼（格雷碼或純二進制碼），并行輸出就是在接口上有多點高低電平輸出，以代表數(shù)碼的1或0，對于位數(shù)不高的絕對編碼器，一般就直接以此形式輸出數(shù)碼，可直接進入PLC或上位機的I/O接口，輸出即時，連接簡單。但是并行輸出有如下問題：
1。必須是格雷碼，因為如是純二進制碼，在數(shù)據(jù)刷新時可能有多位變化，讀數(shù)會在短時間里造成錯碼。
2。所有接口必須確保連接好，因為如有個別連接不良點，該點電位始終是0，造成錯碼而無法判斷。
3。傳輸距離不能遠，一般在一兩米，對于復(fù)雜環(huán)境，最好有隔離。
4。對于位數(shù)較多，要許多芯電纜，并要確保連接優(yōu)良，由此帶來工程難度，同樣，對于編碼器，要同時有許多節(jié)點輸出，增加編碼器的故障損壞率。
2．串行SSI輸出：
串行輸出就是通過約定，在時間上有先后的數(shù)據(jù)輸出，這種約定稱為通訊規(guī)約，其連接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。
由于絕對值編碼器好的廠家都是在德國，所以串行輸出大部分是與德國的西門子
配套的，如SSI同步串行輸出。
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SSI接口(RS422模式)，以兩根數(shù)據(jù)線、兩根時鐘線連接，由接收設(shè)備向編碼器發(fā)出中斷的時鐘脈沖，絕對的位置值由編碼器與時鐘脈沖同步輸出至接收設(shè)備。
由接收設(shè)備發(fā)出時鐘信號觸發(fā),編碼器從高位(MSB)開始輸出與時鐘信號同步的串行信號,SSI標(biāo)準(zhǔn)的信號當(dāng)不傳送信號時,時鐘和數(shù)據(jù)位均是高位,在時鐘信號的第一個下降沿,編碼器的當(dāng)前值開始貯存,從時鐘信號上升沿開始,經(jīng)T2延遲時間后，編碼器數(shù)據(jù)信號開始傳送.t3為恢復(fù)信號,等待下次傳送。
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T=0.9—11us 每個脈沖周期 n為編碼器總位數(shù)
t1>0.45us 每個脈沖半周期
t2≤0.4us 數(shù)據(jù)輸出延遲時間
t3=12—35us 數(shù)據(jù)恢復(fù)（熄滅）時間
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串行輸出連接線少，傳輸距離遠，對于編碼器的保護和可靠性就大大提高了。
一般高位數(shù)的絕對編碼器都是用串行輸出的。
3．現(xiàn)場總線型輸出
現(xiàn)場總線型編碼器是多個編碼器各以一對信號線連接在一起，通過設(shè)定地址，用通訊方式傳輸信號，信號的接收設(shè)備只需一個接口，就可以讀多個編碼器信號。總線型編碼器信號遵循RS485的物理格式，其信號的編排方式稱為通訊規(guī)約，目前全世界有多個通訊規(guī)約，各有優(yōu)點，還未統(tǒng)一，編碼器常用的通訊規(guī)約有如下幾種：
PROFIBUS-DP； CAN； DeviceNet； Interbus等
總線型編碼器可以節(jié)省連接線纜、接收設(shè)備接口，傳輸距離遠，在多個編碼器集中控制的情況下還可以大大節(jié)省成本。
4．變送一體型輸出
我公司提供的GPMV0814、GPMV1016絕對編碼器，其信號已經(jīng)在編碼器內(nèi)換算后直接變送輸出，其有模擬量4—20mA輸出、RS485數(shù)字輸出、14位并行輸出。
三．連接絕對編碼器的電氣二次設(shè)備：
連接絕對值編碼器的設(shè)備可以是可編程控制器PLC、上位機，也可以是專用顯示信號轉(zhuǎn)換儀表，由儀表再輸出信號給PLC或上位機。
1．直接進入PLC或上位機：
編碼器如果是并行輸出的，可以直接連接PLC或上位機的輸入輸出接點I/O，其信號數(shù)學(xué)格式應(yīng)該是格雷碼。編碼器有多少位就要占用PLC的多少位接點，如果是24伏推挽式輸出，高電平有效為1，低電平為0；如果是集電極開路NPN輸出，則連接的接點也必須是NPN型的，其低電平有效，低電平為1。
2．編碼器如果是串行輸出的，由于通訊協(xié)議的限制，后接電氣設(shè)備必須有對應(yīng)的接口。
例如SSI串行，可連接西門子的S7-300系列的PLC，有SM338等專用模塊，或S7-400的FM451等模塊，對于其他品牌的PLC，往往沒有專用模塊或有模塊也很貴。
3．編碼器如是總線型輸出，接受設(shè)備需配專用的總線模塊，例如PROFIBUS-DP。
但是，如選擇總線型輸出編碼器，在編碼器與接收設(shè)備PLC中間，就無法加入其他顯示儀表，如需現(xiàn)場顯示，就要從PLC 再轉(zhuǎn)出信號給與信號匹配的顯示儀表。
有些協(xié)議自定義的RS485輸出信號進PLC的RS485接口，需PLC具有智能編程功能。
4．連接專用顯示轉(zhuǎn)換儀表：
針對較多使用的SSI串行輸出編碼器，我公司提供專用的顯示、信號轉(zhuǎn)換儀表，由儀表進行內(nèi)部解碼、計算、顯示、信號轉(zhuǎn)換輸出，再連接PLC或上位機。其優(yōu)點如下：
a.現(xiàn)場可以有直觀的顯示，直接在儀表上設(shè)置參數(shù)。
b.專用程序讀碼解碼、容錯、內(nèi)部計算，可以大大減少各個項目的編程工作量，提高穩(wěn)定和可靠性。信號輸出是由內(nèi)部數(shù)字量直接計算，快速、準(zhǔn)確。
c.信號輸出有多種形式，靈活方便，后面可連接各種PLC或上位機，通用性強。
我公司各類連接SSI編碼器的儀表一覽表：
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GP1312
(C表、標(biāo)準(zhǔn)表)
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16位并行碼推挽式輸出、4—20mA兩路模擬量、8個預(yù)置位置開關(guān)、
4位顯示、非線性換算、面板置位等通用功能
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GP1312/C2
(C2表，
雙路糾偏表)
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雙吊點同步糾偏型 ，16位并行碼推挽式選通輸出，9個預(yù)置開關(guān)輸出，含雙路超偏糾偏信號， 兩路4—20mA模擬量輸出，其中一路為差值量輸出。
雙4位顯示、非線性換算、面板置位等通用功能
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GP1312RL
(RL表、
現(xiàn)場變送表)
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一路4—20mA模擬量輸出；一路RS485輸出。非線性換算，外部置位等
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GP1312BS
（BS表、電子凸輪開關(guān)組）
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八個電子凸輪位置開關(guān)，每個開關(guān)具有開到位和恢復(fù)位，
一路4—20mA模擬量輸出；一路RS485輸出。
4位顯示，非線性換算，外部置位等
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GPMV0814、GPMV1016 三位一體型
GPMV0814絕對多圈編碼器，其光電碼盤讀碼解碼、顯示設(shè)定、信號轉(zhuǎn)換三位一體，輸出4—20mA 模擬量、并行數(shù)字量RS485通訊可同時輸出，連接各類PLC和上位機。
一般的應(yīng)用，可選同時兩組輸出型，一組信號連接PLC，另一組連接顯示儀表，如需要增加開關(guān)輸出，可從顯示儀表設(shè)定輸出。
S7-300沒有現(xiàn)成的轉(zhuǎn)換功能塊，我使用了富士的SPH編寫了一個功能塊，由于富士的和西門子都支持IEC61131-3編程規(guī)范，那么應(yīng)該很簡單的轉(zhuǎn)換為西門子的功能塊。
在精確定位控制系統(tǒng)中，為了提高控制精度，準(zhǔn)確測量控制對象的位置是十分重要的。目前，測量位置的方法主要有2種，其一是使用位置傳感器，此方法精度高，但是在多路，長距離位置監(jiān)控系統(tǒng)中，由于成本昂貴且安裝困難，因此并不實用。其二是采用光電軸角編碼器進行精確位置控制，光電軸角編碼器根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。而絕對式編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，它是利用自然二進制或循環(huán)二進制（格雷碼）方式進行光電轉(zhuǎn)換的，編碼的設(shè)計一般是采用自然二進制碼、循環(huán)二進制碼、二
進制補碼等。特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼；抗干擾能力強，沒用累積誤差；電源切斷后位置信息不會丟失，但分辨率是由二進制的位數(shù)決定的，根據(jù)不同的精度要求，可以選擇不同的分辨率即位數(shù)。目前有10 位、11 位、12 位、13 位、14 位或更高位等多種。其中采用循環(huán)二進制編碼（即格雷碼）的絕對式編碼器，其輸出信號是一種數(shù)字排序,不是權(quán)重碼，每一位沒有確定的大小，不能直接進行比較大小和算術(shù)運算，也不能直接轉(zhuǎn)換成其他信號，要經(jīng)過一次碼變換，變成自然二進制碼，在由上位機讀取以實現(xiàn)相應(yīng)的控制。而在碼制變換中有不同的處理方式，本文著重介紹富士SX系列中使用編程的方法對二進制格雷碼與自然二進制碼的互換。
一、格雷碼（又叫循環(huán)二進制碼或反射二進制碼）介紹
在數(shù)字系統(tǒng)中只能識別0 和1，各種數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換為二進制代碼才能進行處理，格雷碼是一種無權(quán)碼，采用絕對編碼方式，典型格雷碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補碼，它的循環(huán)、單步特性消除了隨機取數(shù)時出現(xiàn)重大誤差的可能，它的反射、自補特性使得求反非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小化的編碼方式，因為，自然二進制碼可以直接由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，但某些情況，例如從十進制的3 轉(zhuǎn)換成4 時二進制碼的每一位都要變，使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼則沒有這一缺點，它是一種數(shù)字排序系統(tǒng)，其中的所有相鄰整數(shù)在它們的數(shù)字表示中只有一個數(shù)字不同。它在任意兩個相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時，只有一個數(shù)位發(fā)生變化。它大大地減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆。另外由于最大數(shù)與最小數(shù)之間也僅一個數(shù)不同，故通常又叫格雷反射碼或循環(huán)碼。下表為幾種自然二進制碼與格雷碼的對照表：
十進制數(shù)
自然二進制
格雷碼
十進制
自然二進制
格雷碼
0
0000
0000
8
1000
1100
1
0001
0001
9
1001
1101
2
0010
0011
10
1010
1111
3
0011
0010
11
1011
1110
4
0100
0110
12
1100
1010
5
0101
0111
13
1101
1011
6
0110
0101
14
1110
1001
7
0111
0100
15
1111
1000
二、二進制格雷碼與自然二進制碼的互換
1、自然二進制碼轉(zhuǎn)換成二進制格雷碼
自然二進制碼轉(zhuǎn)換成二進制格雷碼，其法則是保留自然二進制碼的最高位作為格雷碼的最高位，而次高位格雷碼為二進制碼的高位與次高位相異或，而格雷碼其余各位與次高位的求法相類似。
例如：
自然二進制編碼如下：
1
0
0
1
那么轉(zhuǎn)換為格雷碼的方法是：保留最高位1，然后將第二位0與第一位1做異或操作，第三位的0與第二位的0做異或操作，第四位的1與第三位的0做異或操作，得到結(jié)果如下：
1 1 0 1 Gray
2、二進制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進制碼
二進制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進制碼,其法則是保留格雷碼的最高位作為自然二進制碼的最高位，而次高位自然二進制碼為高位自然二進制碼與次高位格雷碼相異或，而自然二進制碼的其余各位與次高位自然二進制碼的求法相類似。
例如將格雷碼1000轉(zhuǎn)換為自然二進制碼：
1
0
0
0
1
1
1
1
上排為格雷碼，下排為自然二進制，從左到右分別為1~4位
將上排的第一位高位作為自然二進制的最高位，因此在下排的第一位填入1，然后以上排第二位與下排第一位做異或操作，得到下排第二位結(jié)果為1，將上排第三位與下排第二位做異或操作，得到下排第三位的結(jié)果為1，同理，下排第四位的結(jié)果為1，因此，我們得到了轉(zhuǎn)換結(jié)果 如下：
1 1 1 1 Bin
三、自然二進制碼與格雷碼互換在富士SX系列PLC中的實現(xiàn)方法：
1． 自然二進制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼：
根據(jù)自然二進制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼的轉(zhuǎn)換規(guī)則，實際上就是將轉(zhuǎn)換數(shù)右移一位后與轉(zhuǎn)換數(shù)做異或操作。程序流程圖如下：
保存輸入數(shù) TEMP
將TEMP右移一位，保存SHILETEMP
將移位后的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)作異或
返回異或后的數(shù)據(jù)
功能塊中的程序如下：
INPUT 輸入變量類型為DWORD
TEMP 局部變量類型為DWORD
SHILETEMP 局部變量類型為DWORD
BIN_TO_GRAY 功能塊返回變量返回類型為DWORD
BIN_TO_GRAY:
TEMP:=INPUT;
SHILETEMP:=SHR_DWORD(TEMP,UNIT#1);
BIN_TO_GRAY:=SHILETEMP XOR INPUT;
2. 格雷碼轉(zhuǎn)換為自然二進制碼
根據(jù)格雷碼轉(zhuǎn)換為自然二進制碼的轉(zhuǎn)換規(guī)則，實際上就是不斷的將格雷碼與二進制數(shù)做異或操作，也就是說，不斷的和本身的不同位數(shù)做異或操作，如原數(shù)據(jù)為32位的A，那么先將A向右移動一位，與本身進行異或，然后保留值為B,那么繼續(xù)將A向右移動一位，與B進行異或，保留為C,依次類推，直到A=1為止。程序流程圖如下：
保存輸入數(shù) TEMP,INPUT1
如果輸入數(shù)為0，那么直接返回數(shù)據(jù)0后退出
如果TEMP不等于1，那么循環(huán)，否則返回數(shù)據(jù)
TEMP右移1位，與輸入值作不斷異或
功能塊中的程序如下：
INPUT 輸入變量類型為DWORD
TEMP 局部變量類型為DWORD
INPUT1 局部變量類型為DWORD
GRAY_TO_BIN 功能塊返回變量返回類型為DWORD
GRAY_TO_BIN:
TEMP:=INPUT;
INPUT1:=INPUT;
IF TEMP=DWORD#0 THEN
INPUT1:=DWORD#0;
GRAY_TO_BIN:=INPUT1;
RETURN;
END_IF;
WHILE TEMP<>DWORD#1 DO
TEMP:=SHR_DWORD(TEMP,UINT#1);
INPUT1:=TEMP XOR INPUT1;
END_WHILE;
GRAY_TO_BIN:=INPUT1;
上述代碼在富士的SX系列PLC中試驗沒有問題，由于富士的SX系列PLC完全支持ST代碼方式的編程，因此基本上可以不做修改的應(yīng)用在西門子的S7系列的PLC中。
由于三菱的PLC中已經(jīng)包含了自然二進制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼指令GRY以及格雷碼轉(zhuǎn)換為自然二進制碼指令GBIN，因此上述代碼應(yīng)用于三菱系列的PLC已經(jīng)沒有意義，請使用三菱PLC本身附帶的指令，因為西門子以及富士的SX系列PLC并沒有附帶轉(zhuǎn)換指令，因此本人書寫了上述代碼用于補充SX系列的指令不足。