編碼器基礎(chǔ)——格雷碼這樣圖案化編碼的好處

編碼器是一種測量角度(或直線長度)的傳感器，它將需要測量的角度(或直線長度)預(yù)先在傳感器內(nèi)部編碼，并以數(shù)字編碼的方式向外發(fā)送傳感器測量的數(shù)據(jù)。其中，格雷碼就是其最常用的編碼方式。

01

格雷碼(Gray Code)因1953年公開的弗蘭克.格雷的專利而得名。格雷碼是二進(jìn)制循環(huán)碼，其編碼最大的特點(diǎn)是任意上下相鄰的兩個(gè)碼值間，只有一位碼不同，這樣在碼值上下變化過程中，每次只改變一位碼，從而傳輸、讀數(shù)的錯(cuò)碼率最小。格雷碼還是循環(huán)碼，其最大碼到最小碼同樣遵循只改變一位碼的編碼原則，因而形成循環(huán)碼。

每次只變一位的唯一性、循環(huán)性、圖案化編碼對稱性是格雷碼的編碼原則，它的圖案化編碼形式猶如小孩子搭積木來搭建金字塔般簡單，而又優(yōu)美。

以下是以4位代碼為例，對比格雷碼與純二進(jìn)制碼：

(1)每次只變化一位，例如在7到8之間，純二進(jìn)制(0111到1000)4位都發(fā)生了碼值的變化，格雷碼(0100到1100)僅最高位碼值變化。

(2)循環(huán)碼，最大碼15與最小碼0的格雷碼只有一位最高位碼值的不同(1000到0000)。

(3)圖案化編碼金字塔對稱，最低位從1(2的0次)開始向大變化，連續(xù)兩個(gè)1再連續(xù)兩個(gè)0，再兩個(gè)1;第二低位從2(2的1次)開始向大變化，連續(xù)四個(gè)1，再連續(xù)四個(gè)0;第三低位從4(2的2次)開始，連續(xù)8個(gè)1，再8個(gè)0;第四低位從8(2的3次)開始，連續(xù)16個(gè)1，再16個(gè)0......如果橫過來看，像積木搭金字塔型圖案，依此規(guī)律方法，即使小學(xué)生都可隨手寫出更多位數(shù)的格雷碼編碼。

02

格雷碼這樣圖案化編碼的好處：

(1)同步性多位數(shù)讀碼容錯(cuò)寬度最大。

由于格雷碼兩個(gè)相鄰碼值變化時(shí)每次只變一位，那么在多碼道位數(shù)同時(shí)讀取(例如光學(xué)碼盤)、輸出(例如多芯電纜的并行輸出)、以及后續(xù)設(shè)備的多位數(shù)的接收，在數(shù)值增加或減少時(shí)，編碼與同步讀取的誤差最小。多位數(shù)的數(shù)據(jù)刷新是不可能做到完全同步的(由于物理位置精度的原因，以及時(shí)間精度瞬間有先后)，格雷碼因只有一位的變化，而可以“從容”分辨出這僅一位的變化，其余的沒有改變，沒有同步性偏差。而如果是純二進(jìn)制碼，有多個(gè)數(shù)據(jù)改變了，這些刷新改變的數(shù)據(jù)讀取會(huì)有同步性上的先后，就有可能有些已經(jīng)讀到刷新后的數(shù)據(jù)，有些還沒有讀到刷新后的數(shù)據(jù)，這樣就會(huì)亂碼，例如表1內(nèi)的7到8，純二進(jìn)制有多個(gè)位0和1發(fā)生改變，如果有一位還停留在刷新前的，如第二位，那么讀到的就不是8(1000)，而是10(1010)了。而格雷碼由于每次只改變一位，因?yàn)榫椭挥幸晃辉谒⑿拢筒淮嬖谒⑿孪群蟮膯栴}，也就不會(huì)發(fā)生錯(cuò)碼了。

(2)制作時(shí)容錯(cuò)寬度最大，格雷碼編碼的刻線寬度大，一條刻線容下了兩個(gè)碼值，一個(gè)刻線周期容下了4個(gè)碼值。

例如上圖一個(gè)5位格雷碼32個(gè)分辨位置，最密的刻線碼道僅需8個(gè)刻線，寬度比純二進(jìn)制碼寬一倍。同時(shí)，由于相鄰兩個(gè)格雷碼只有一位的變化，刻線位置的誤差寬度可達(dá)±1/2碼而不會(huì)發(fā)生錯(cuò)碼。這對于碼盤的加工以及讀取傳感器的安裝精度要求大大放寬，便于制作出在同樣尺寸下更高分辨率的編碼器。

(3)編碼與刻線有規(guī)律的圖案化排列。

格雷碼以搭寶塔積木似的編碼刻線，對于碼盤設(shè)計(jì)極為的方便，也便于布排各個(gè)碼道的傳感器讀取頭。

(4)循環(huán)碼，便于多周期的旋轉(zhuǎn)循環(huán)而不會(huì)發(fā)生錯(cuò)碼。

格雷碼的最高兩位是特別的，在一個(gè)循環(huán)周期里面，最高兩位的刻線寬度是一樣的，而位置錯(cuò)開了1/4周期，格雷碼最高位的變化是在整個(gè)格雷碼編碼測量周期的中點(diǎn)和起始點(diǎn)。也就是在周期的1/2(180度相位)時(shí)，僅有最高位的碼值從0到1，而在周期的終點(diǎn)循環(huán)到起始點(diǎn)，也僅有最高位的碼值從1到0，其間的變化不會(huì)發(fā)生錯(cuò)碼。

(5)增量型編碼器的AB相編碼，也就是利用了格雷碼最高2位為循環(huán)編碼不易錯(cuò)碼，并上述各項(xiàng)格雷碼與刻線的優(yōu)點(diǎn)。

這樣的編碼可以分辨出進(jìn)位與退位(編碼器旋轉(zhuǎn)的正轉(zhuǎn)于反轉(zhuǎn))，可以每個(gè)周期的2位格雷碼編碼的4個(gè)位置(四倍頻)，可以有刻線與讀取的最大限度的容錯(cuò)。

例如一個(gè)光學(xué)增量型編碼器，通過傳感器內(nèi)的光學(xué)碼盤，分割有很多個(gè)分割刻線，通過度取刻線通與暗的規(guī)律，輸出每圈的脈沖數(shù)(PPR)對一個(gè)360度圓周分割，也稱為分辨率。每個(gè)脈沖周期的變化代表了一定角度變化，這樣預(yù)先分割角度到每個(gè)周期并讀取計(jì)數(shù)周期變化的方式為“增量編碼”，增量編碼器輸出一般是A、B、Z三相信號，A和B的編碼按格雷碼一個(gè)周期內(nèi)循環(huán)碼最高2位的位置編排，輸出相差1/4個(gè)周期的A和B，正轉(zhuǎn)(進(jìn)位)是1/4相差，而反轉(zhuǎn)(退位)是3/4相差，以此可以判斷編碼器的正反轉(zhuǎn);另外一個(gè)信號Z相是每圈僅提供一個(gè)位置脈沖，以此可以設(shè)定零位值。

(6)絕對值編碼器的N位數(shù)編碼，也就是利用了格雷碼多碼道同步讀取時(shí)錯(cuò)碼率最小，以及便于碼盤設(shè)計(jì)、刻線以及傳感器安裝的寬容度最大。并行信號輸出的格雷碼，也便于后續(xù)設(shè)備讀取變化時(shí)錯(cuò)碼率最低。用格雷碼制作絕對值碼盤，物理制作最簡單經(jīng)濟(jì)，同時(shí)又達(dá)到最大的寬容度容錯(cuò)性。

較易錯(cuò)誤的純二進(jìn)制編碼碼盤

格雷碼編碼的碼盤，制作寬容度與容錯(cuò)性最佳。

絕對值編碼的編碼器內(nèi)部碼盤已對應(yīng)有整個(gè)測量行程預(yù)先有N位的大數(shù)據(jù)編碼，在整個(gè)規(guī)定的測量行程中每一個(gè)位置都是唯一性的編碼，與時(shí)間軸無關(guān)，任何時(shí)間讀取或者不讀取都可以根據(jù)數(shù)據(jù)下游指令，可直接一次輸出與時(shí)間軸無關(guān)的編碼大數(shù)據(jù)。在360度以內(nèi)的唯一編碼的為單圈絕對值編碼器，超出360度有更多圈數(shù)量程的唯一編碼的為絕對值多圈編碼器。

03

格雷碼對純二進(jìn)制的解碼，以下表規(guī)律解碼：

解碼過程：以“0”和格雷碼的最高位以上表方法比較，結(jié)果保留在(純二進(jìn)制碼)最高位，再以此結(jié)果與格雷碼的第二高位比較，結(jié)果保留在(純二進(jìn)制碼)第二高位;再以剛得到的值與第三高位比較，結(jié)果保留在(純二進(jìn)制碼)第三高位......以此類推，直到最低位。

例如自然數(shù)14，格雷碼為1001，向純二進(jìn)制碼解碼，最高位比較值(0與1)結(jié)果為1，第二高位比較(1與0)，結(jié)果為1;第三高位比較(1與0)，結(jié)果為1;最低位比較(1與1)，結(jié)果為0，得到純二進(jìn)制代碼1110。

格雷碼的讀取：由于格雷碼是循環(huán)碼，在讀碼時(shí)要確認(rèn)多少位，一次完整地從高位向低位讀取，而不能因?yàn)橹桓淖兊臀?，就僅僅只讀低位而不讀高位。

格雷碼有規(guī)律的積木式編碼方式，可以節(jié)省位數(shù)的解碼。編碼器在快速旋轉(zhuǎn)中當(dāng)需要快速讀取碼值而放棄了高分辨率的最后幾位，僅讀取高位，可大膽放棄最后幾位的格雷碼向二進(jìn)制碼的解碼----格雷碼的解碼是從高位開始的，例如原先一個(gè)13位的格雷碼編碼，當(dāng)放棄最后最后3位后可以成為一個(gè)10位的格雷碼編碼。

04

故事：國王的紅酒，簡單圖案化的格雷碼編碼。

B. 找十個(gè)死囚犯，從低位到高位編號，輪到各自位數(shù)有記號的逢1便嘗酒。如果有囚犯中毒，即可根據(jù)格雷碼的編排圖案化規(guī)律而找到了那瓶毒酒。

C. 半天后，有可能有死囚會(huì)死去，那樣就有了毒酒的格雷碼編碼數(shù)。究竟有多少個(gè)死囚會(huì)被毒死?那要看這個(gè)毒酒的編號里有幾個(gè)“1”，也就是“嘗”到的有幾個(gè)囚犯。根據(jù)幾個(gè)死囚死去的位置編號，就能找到那瓶毒酒。

這是我編的一個(gè)故事，各位記住格雷碼了嗎?當(dāng)然，你就不用試毒酒就可以記住它的編碼圖案規(guī)律了。

每次只改變一位，帶來最經(jīng)濟(jì)的物理制作、讀取與解碼，最大的容錯(cuò)性，格雷碼是如此簡單而又優(yōu)美，搭建起編碼器數(shù)學(xué)編碼的基礎(chǔ)。