基于旋轉編碼器實現對轉動天線角度的測量

文丨陳 倫 胡 曉 程光磊

轉動天線角度測量方式演變

831臺在用的1號和2號ZT-1型轉動天線，是我國自行試制的第一副大功率、高增益、寬頻段、多方位短波同相水平轉動天線。

天線角度取樣初期是采用與轉動天線中心支柱同步聯動大齒輪帶動固定位置的轉換機構再帶動光電碼盤方式來實現。光電碼盤編碼方式采用BCD碼（如表1），其上同軸開十圈透光孔，光源通過透光孔對光敏電阻進行照射采樣，信號經邏輯判斷后送至個、十、百位0—9十層數碼管顯示相應數字，從而準確指示位置信息。

此方式在使用中由于機械磨損造成轉動天線中心支柱偏心，打壞的大齒輪跳齒，致使天線實際位置與指示位置不一致；再加上取樣用的光電碼盤產品落后，體積較大，光源不穩定，經常出現漏碼，造成天線定位精度低。

經改造后將原采樣結構改為彈性隨動取樣結構，克服天線中心偏心問題，將原光電碼盤改為KOYO公司的TRDNA系列絕對值型旋轉編碼器。它屬于一種超小型、高速響應、采用金屬光柵、輸出為無讀取誤差的格雷碼編碼器。絕對值型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亮、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，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼；抗干擾能力強，沒用累積誤差，體積小；電源切斷后位置信息不會丟失，它不受停電、干擾的影響。

格雷碼（又叫循環二進制碼或反射二進制碼）介紹

格雷碼（Gray Co）是一種絕對編碼方式，對應旋轉角度以格雷碼形式并行輸出絕對位置值。格雷二進制碼是為了彌補二進制碼的缺陷而產生的代碼。因為在二進制碼中當從某一個數到下一個數變化時，可能同時有2個以上的數據位發生變化，例如從十進制的3轉換為4時二進制碼的每一位都要變，使數字電路產生很大的尖峰電流脈沖，由于對各位讀取的時序上的差異，可能造成讀出錯誤。為了解決此問題，設計一種代碼，使其在從任一數到下一數變化時，只有一個數據位變化，以避免讀取錯誤，這樣的代碼即格雷二進制碼，是一種錯誤最小化的編碼方式。而且無需計數器，它大大地減少了由一個狀態到下一個狀態時邏輯的混淆。另外由于最大數與最小數之間也僅一個數不同，故通常又叫格雷反射碼或循環碼。下面以四位代碼為例，由格雷碼與二進制碼的對照表導出兩種代碼相互轉換的邏輯表達式（如表1）：

格雷碼轉換成自然二進制碼，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。

某二進制格雷碼為 Gn-1 Gn-2…G2 G1 G0

其對應的自然二進制碼為 Bn-1 Bn-2…B2 B1 B0

其中：最高位保留--- Bn-1=Gn-1

其他各位--- Bi-1 =Gi-1異或Bi i=1,2…，n-1

表1

圖1 天線角度取樣方框圖

表2

天線角度的測量

通過以上的分析，由于格雷碼不是權重碼，每一位碼沒有確定的大小，不能直接轉換為角度信號，要進行一次碼變換，變成自然二進值碼。采樣角度以格雷碼的形式進入PLC后（如圖1），需在PLC中對格雷碼進行異或邏輯運算，從而得到二進制碼進行輸出。由于我們測定的范圍即天線轉動角度在360°以內，編碼器選分辯率為1024，就可用10位格雷碼來映射轉角位移量信號，天線度數變化1°時，對應的10位格雷碼只變化一位。因此，我們通過一根RVVP多蕊電纜和格雷碼盤相連，直接采集10位格雷碼信號至PLC數字量輸入模塊。

下面以831臺使用的TRD NA1024 NW5M（負邏輯輸出）旋轉編碼器進行采樣，天線角度為高頻161°時為例（如表2）：經PLC轉換后的二進制碼為0111001100，十進制為460，計算得460×360°/1024=161°。

旋轉編碼器采集來的格雷碼通過PLC梯形圖完成異或運算，依次異或轉換后的值就是格雷碼轉換后自然碼的值。轉換后的二進制碼在PLC中通過命令轉換語言將數據轉換為BCD碼，經PLC采集、運算后的天線實際角度信號由PLC的通訊端口采用RS232/RS485方式和上位機進行通訊，并通過RS232協議送到上位機通過顯示屏顯示。

進口轉動天線角度的測量

2021臺的Alliss轉動天線是我局從德國THALES公司引進的一部大功率、高增益、全頻段可實現360度全方位覆蓋的500KW同相水平短波轉動天線。

為了提高控制精度，從而實現精確定位，德國Alliss轉動天線使用了TWK公司生產的絕對值型旋轉編碼器，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數字化等優點；其由傳感器，光柵盤和光電檢測裝置組成。它將轉軸的任意位置量利用光電轉換原理轉換成相應的電脈沖或數字量，從而讀出一個固定的與位置量相對應的數字碼（格雷碼），編碼器中將光信號轉換為相應的電脈沖或數字量（格雷碼）的過程和格雷碼轉換為自然二進制碼的原理與831臺使用的KOYO公司的TRD-NA系列絕對值編碼器是相同的，這里就不做重復介紹了。編碼器輸出的電壓信號通過一根15芯的電纜送到天線控制系統中的角度數字模塊進行運算，計算出實際角度，同時進行顯示。

現在詳細介紹一下進口轉動天線角度的取樣和測量。與831臺角度編碼器不同的是，在TWK編碼器內部就已經將格雷碼轉換為BCD碼，不需要在PLC中通過程序來轉換，產生的BCD碼經過7407 TTL 集電極開路六正相高壓驅動器，輸出為電壓信號。因編碼器中將光信號轉換為相應的電脈沖或數字量（格雷碼）的過程和格雷碼轉換為自然二進制碼的原理與831臺使用的KOYO公司的TRDNA系列絕對值編碼器是相同的，所以我們詳細介紹一下產生的BCD碼經過7407 TTL 集電極開路六正相高壓驅動器，輸出為電壓信號的變換過程。

進口轉動天線的編碼器內部的7407模塊部分實際上是由兩個7407芯片組成，11路（其中一路為奇/偶信號，其他為角度信號）集電極開路高壓驅動器輸出。輸出的高電平為Vs（24V），低電平為0V。假設經過轉換后的BCD碼為01011011000，輸入到7407模塊部分轉換為相應的高/低壓信號，天線控制系統的設置為低電平有效，控制系統進行邏輯判斷。

計算角度：01011011000

結束語

通過近幾年在兩個臺實際使用，證明絕對值編碼器性能穩定、可靠、調整方便，不需維修與專門培訓，性價比高。數據采集的抗干擾和可靠性大幅度提高。