增量式光电编码器的构造和原理及应用

摘要：光电编码器是一种高精度的数字检测装置。外部有一个旋钮，可以左右旋转和按下。广泛应用于车载电子设备的菜单选择和调整。主要是日本阿尔卑斯EC11J以微光电编码器为例，分析了增量光电编码器的结构和原理，阐述了其在汽车音响音量调节中的应用，设计了编码器输出控制电路的软件编程方法，进一步总结了程序测试的要点，以检测程序的正确性。

关键词：光电编码器；汽车音响系统；软件编程；程序测试

光电编码器可以通过光电原理将机械的几何位移转换为电子信号（电子脉冲信号或数据串）。是集光、机、电为一体的数字检测装置，具有精度高、结构简单、体积小、使用可靠、维护方便、性价比高等优点。

一般来说，根据光电编码器产生脉冲的不同方式，可分为增量、绝对和复合三类。增量旋转光电编码器易于完全封闭，易于实现小型化。它看起来像一个电位器，因为它有一个旋钮可以同时左右旋转和按下，许多设备（如显示器、示波器等）使用它作为人机交互接口。广泛应用于车载电子设备的显示菜单选择、汽车音响音量控制调整和汽车空调控制调整。作者主要使用日本阿尔卑斯EC11J以微光电编码器为例，分析了增量旋转编码器的结构和原理，进一步提出了如何使用软件程序在汽车音量控制和调节过程中识别和计数输出脉冲的方法。如果没有特别说明，提到的编码器是指增量旋转光电编码器。

1 光电编码器的结构和工作原理

1.1 编码器的结构

典型的增量光电编码器主要由机械系统、数据扫描系统和电气系统组成。

机械系统主要起外壳和旋转支撑的作用。

数据扫描系统由光源、码盘、检测光栅和光电检测设备组成，如图1所示。码盘上刻有相同的辐射透光间隙，相邻两个透光间隙代表增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与码盘对应的透光间隙用于通过或阻挡光源与光电检测器件之间的光线。它们的节距等于码盘上的节距，两组透光间隙错开1/4节距，使光电检测器件输出的信号相差90°。在大多数情况下，直接从编码器光电检测器获得的信号电平较低，波形不规则，不能满足控制、信号处理和远程传输的要求。因此，该信号必须在编码器中放大和塑料。

电气系统主要包括保护电路、放大电路、抗干扰电路、数据转换输出等。

1.2 编码器的工作原理

当代码盘转轴旋转时，检测光栅不动，光线通过码盘和检测光栅上的间隙照射到光电检测器件上，光电检测器件输出两组相位差90°脉冲信号。

图2(a)光电编码器A／B典型的相脉冲信号电路。虚线框为间隙。如果检测到光栅阻挡光源的光线，则三极管为截止状态。A／B由于上拉电路的影响，相输入呈逻辑高电平，如图2所示(b)所示。相反，光电三极管受到发光二极管的照射，呈饱和状态(即导通)。A／B相因与地相连呈逻辑低电平。因此，当代码盘旋转时，会产生如图3所示的产生A／B相脉冲。

为了在使用中实现准确旋转的目的，设计师每周将编码器的码盘平分为几个等份，并安装弹簧，使编码器旋转到最小刻度的整数倍。当编码器正向旋转时，A相比B相超前90°，反向旋转时，A相比B相落后90°。这样，编码器的旋转量就可以通过旋转刻度来确定A／B了解编码器的旋转方向。

2 编码器在汽车音响系统中的应用

2.1 编码器的应用

EC11J该系列编码器是日本阿尔卑斯电气有限公司生产的型高精度滑动编码器。主要用于汽车导航器、音量调节、空调温度调节旋钮、菜单选择等。

在现代汽车音响系统中，由于汽车电子电源是汽车电池，电源往往受到外部干扰（如道路颠簸、发动机速度等），导致电压不稳定，所以即使电位置没有变化，也会因为电池电压变化导致电位输出电压变化，即使不调整音量，音量也会随电池电压变化而变化，因此一般不使用输出模拟电压信号电位器作为调整旋钮。

而编码器输出的是稳定可靠的数字信号，可以通过下一级设备的可编程控制，实现对音量的准确调节，并消除干扰。编码器使用时能够360°旋转，响应速度快，旋转测量准确，旋转声音小，使用寿命长，无噪音，电路简单，是电位器无法比拟的。与电位器等元件相比，更有利于音量调节等持续变化控制。

2.2 编码器输出控制电路程序设计

通过硬件电路或软件方法可以实现编码器输出脉冲的识别和计数。以下主要介绍单片机编程控制，以实现脉冲的识别和计数。该方法为1 ms定期阅读查询方法A／B相脉冲状态，以确保读取A／B相脉冲状态的正确性需要三次一致性抖动，然后根据编码器输出波形的相位关系确定编码器的旋转方向和旋转量。具体的软件流程图如图4所示。

2.3 程序测试要点

在汽车音响系统中，编码器用作音量调节旋钮，摆动小，旋转定位虚拟位置小。然而，在车辆行驶过程中，发动机和其他车载电子设备可能会对编码器的输出波形产生电磁干扰或其他干扰，这就要求程序能够识别干扰，不会误计数和判断错误的方向。信号发生器可用于产生脉冲，模拟编码器输出脉冲，并连接到单片机的输入端口，从以下方面测试程序。

1)确认正反方向和增减量

输入单片机n正方向脉冲，波形如图5所示，验证程序能否正确检测到正方向，增减是否增加n。同样，验证相反的方向。

2)单相断线错误确认

当编码器出现故障时，A相或者B断开的一相是逻辑高电平或逻辑低电平，另一相是正常变化的脉冲波形。使用信号发生器模拟编码器A相或者B相异常，恒高或低，共4种情况如图6所示。测试程序能否识别异常，计数不会改变。

当汽车通过碎石路时，会产生强烈的微振动和车载其他电子设备的电磁干扰，影响编码器输出异常的逻辑波形，如图7所示。测试确认这些微振动不会导致程序变量值的变化。

3 结束语

光电旋转编码器具有旋转操控性好、旋转定位准确、体积小、重量轻、结构简单、数字输出等综合技术优势。同时配备了单片机等下一级可编程设备的准确信号识别，抗干扰能力强，广泛应用于车载电子产品中。

随着汽车工业的飞速发展，电子技术的应用几乎深入到汽车所有的系统。采用新原理应用新技术的各类新型光电编码器将会不断出现，并向着小型化、智能化和集成化的方向发展，以满足汽车安全性、舒适性、经济性和娱乐性的需要。