单圈编码器如何实现多圈计数

Question

#机械多圈编码器
各位工程师好，光电式机械多圈编码器通过齿轮进行圈数编码，其上的光电二极管要用那么多组器件，如何实现编码的呢，所有的齿轮数据都要读取吗？还是说逐一扫描？

Answer 1

以下内容源自超时代AI智能助手，仅供参考，可行性需要自行评估。

1. 单圈编码器实现多圈计数的原理
   • 利用辅助存储器件
     • 单圈编码器本身只能测量一圈范围内的位置变化。要实现多圈计数，可以借助外部的辅助存储器件，如EEPROM或者带有掉电保存功能的寄存器。例如，在单片机系统中，当单圈编码器完成一圈计数后，单片机可以将圈数信息存储到EEPROM中。每次编码器重新开始计数时，先从EEPROM中读取之前存储的圈数信息，再结合当前单圈的计数结果，就可以得到总的多圈计数。
     • 假设单圈编码器的分辨率为1000脉冲/圈，当检测到单圈编码器完成1000个脉冲计数后，单片机判断为完成一圈，将EEPROM中的圈数加1。如果初始EEPROM中的圈数为0，经过3圈后，EEPROM中的圈数变为3，而当前单圈计数为500脉冲，那么总的计数就是3 * 1000+500 = 3500脉冲，从而实现了多圈计数。
   • 采用计数器和逻辑判断
     • 使用一个额外的计数器来记录圈数。当单圈编码器的计数达到最大值（例如，对于12位的单圈编码器，最大值为4095）时，触发逻辑判断电路或程序代码，使圈数计数器加1，同时将单圈编码器的计数清零重新开始计数。在单片机编程中，可以使用中断服务程序来实现这个功能。当单圈编码器的计数溢出产生中断时，在中断服务程序中执行圈数加1和单圈计数清零的操作。
2. 光电式机械多圈编码器的编码实现
   • 编码原理
     • 光电式机械多圈编码器中的多个齿轮是按照一定的编码规则来实现多圈位置检测的。通常采用格雷码（Gray Code）编码方式。格雷码的特点是相邻的两个编码值只有一位二进制数不同。例如，对于一个简单的2 - bit格雷码，编码顺序为00、01、11、10。这种编码方式可以减少在编码转换过程中的误码率。
     • 在多圈编码器中，每个齿轮对应不同的编码位。当齿轮转动时，通过光电二极管检测齿轮上的编码图案，将光信号转换为电信号，从而得到相应的编码值。
   • 数据读取方式
     • 并非所有齿轮数据同时读取
       • 不需要同时读取所有齿轮的数据。通常采用逐级检测的方式。从最高位（对应最大的齿轮，其转动一圈代表的圈数最多）开始检测。例如，一个3 - 圈的多圈编码器，有三个齿轮，大齿轮转一圈代表1圈，中齿轮转一圈代表2圈，小齿轮转一圈代表4圈。当大齿轮转动时，先检测大齿轮对应的编码，如果大齿轮完成一圈转动，再检测中齿轮的编码。如果中齿轮没有转动，说明当前处于第1圈；如果中齿轮也转动了一圈，再检测小齿轮的编码，以此类推。
       • 这种逐级检测的方式可以减少数据处理量和硬件复杂度。在硬件电路设计中，可以使用多路复用器（MUX）来选择不同齿轮对应的光电二极管信号进行检测。在单片机程序中，可以通过顺序执行的代码来实现这种逐级检测逻辑。例如，在C语言编写的单片机程序中：

         // 假设已经定义了读取单个齿轮编码的函数read_gear_code和齿轮对应的编码变量
         unsigned int big_gear_code, mid_gear_code, small_gear_code;
         // 先读取大齿轮编码
         big_gear_code = read_gear_code(BIG_GEAR_PIN);
         if (big_gear_code == FULL_ROTATION_CODE) {
         // 如果大齿轮完成一圈，读取中齿轮编码
         mid_gear_code = read_gear_code(MID_GEAR_PIN);
         if (mid_gear_code == FULL_ROTATION_CODE) {
         // 如果中齿轮也完成一圈，读取小齿轮编码
         small_gear_code = read_gear_code(SMALL_GEAR_PIN);
         }
         }