CN104677394A - 一种位置或角位置传感的编码及装置 - Google Patents

Abstract

本发明将数据通信中使用的8B／10B编码引入位置传感领域，提供了8B／10B传感码道的实现方法，还给出了几种单向码道和双向码道的码道序列的定义。使用8B／10B码道实现的单码道、双码道、三码道的绝对式位置编码器，可以满足位移速度高、位置精度高、动态范围大、成本低等的应用要求。

Description

一种位置或角位置传感的编码及装置

技术领域

本发明一般涉及位置或角位置传感的编码及装置的实现方法，诸如光电(Photoelectric)或磁电(Magnetic)或霍尔效应(Hall Effect)等传感器的编码器(Encoder)的实现方法，诸如增量式编码器、绝对式编码器、混合式编码器、直线编码器等、角度编码器、旋转编码器。具体地说，本发明涉及一种编码方法，基于该方法可以实现高性能、低成本的光电或磁点或霍尔效应等位置或角位置传感编码器。 

背景技术

现代化的机械装置上普遍的使用着各种位置或角位置传感器，其基本原理是在机械部件的位置或角度变化时，引起如光强度、电感量或电容量(频率或幅度)或磁场强度等物理量的变化，用光敏器件、鉴频或鉴幅、霍尔器件等将物理量的变化转换成电信号，电信号经过简单的处理后是正弦波或方波，采用正弦波可以通过测量幅度来提高定位精度，但采用方波的抗干扰性能更佳。由于机械加工的最小尺寸有限制，位置或角位置的精度受到限制，采用四分之一信号周期的双相信号不仅可以将定位精度提高，还可以简易的确定位置或角位置的变化方向。 

双相传感信号只能确定位置或角位置变化的存在和方向，需要有附加的装置才能确定位置或角位置，这个附加的装置就是编码器，常见的方式有增量式编码器、绝对式编码器、混合式绝对值编码器等。增量式编码器采用一个可逆计数器和一个起始位置传感器来确定位置，正方向移动计数器加计数，反方向移动计数器减计数，起始位置传感信号将计数器清零。绝对式编码器除基本的双相传感信号外，还有多相传感信号，这些传感信号构成二进制码或格雷码，覆盖全部位置动态范围。混合式绝对值编码器介于增量式编码器和绝对式编码器之间，比增量式编码器有更多的起始位置传感器，比绝对式编码器有更少相的构成二进制码或格雷码的传感信号。正弦波形式的基本传感信号经模数转换并门限甄别后成为编码器输出的低权值位。 

本发明提供一种位置传感编码方法，至多用三个码道甚至一个码道就可以实现高可靠性、高速度、高精度、大动态范围的位置或角位置传感编码器。 

附图说明

以下首先对本发明说明书的附图进行简单的介绍，然后再结合这些附图对本发明的各个实施范例进行介绍，说明本发明的原理和特征。 

在以下的附图中： 

图1为按照本发明的方法实现的8B／10B码道优选实例上10B码的BIT排列次序示意图； 

图2为按照本发明的方法实现的码道序列(0003)的几个优选实例的示意图； 

图3为按照本发明方法实现的2字节码道序列(0003)多段码道衔接的优选实例示意图； 

图4为按照本发明方法实现的3字节码道序列(0003)多段码道衔接的优选实例示意图； 

图5为按照本发明的方法实现的光电8B／10B编码器(0000)的码道影像的光学放大及光电信号的优选实例示意图； 

图6为按照本发明的方法实现的光电8B／10B编码器(0000)的直线码道照明的优选实例示意图； 

图7为按照本发明的方法实现的光电8B／10B编码器(0000)的环形码道照明的优选实例示意图； 

图8为按照本发明的方法实现的用面阵传感器进行码道影像光电转换的一个优选实例示意图； 

图9为按照本发明的方法实现的多码道8B／10B编码器(0000)的角位置码盘优选实例示意图； 

图10为按照本发明的一个优选实例实现的8B／10B编码器(0000)的正向角位置传感信号的时序示意图； 

图11为按照本发明的一个优选实例实现的8B／10B编码器(0000)的反向角位置传感信号的时序示意图； 

图12为按照本发明的一个优选实例实现的8B／10B编码器(0000)的对码道序列(0003)采样的双向移位寄存器的示意图； 

图13为按照本发明的一个优选实例实现的8B／10B编码器(0000)的控制码Kxx.x检测器的示意图； 

图14为按照本发明的一个优选实例实现的8B／10B编码器(0000)的10B／8B数据译码器的示意图； 

图15为按照本发明的一个优选实例实现的8B／10B编码器(0000)的除10计数器的示意图； 

图16为按照本发明的一个优选实例实现的8B／10B编码器(0000)的状态变化的示意图； 

图17为按照本发明的一个优选实例实现的8B／10B编码器(0000)的输出数据的示意图； 

图18为按照本发明的一个优选实例实现的采用微处理器的8B／10B编码器的示意图。 

具体实施方式

在高速网络数据通信中，为了使信号有足够多的翻转且直流平衡，采用了8B／10B编码【1】对数据进行变换，表格1是8B／10B编码表，其中名称为Dxx.x的数据码是数据编码的情况，名称为Kxx.x的控制码是控制编码的情况，一共 有256个数据码和12个控制码。 

8B／10B编码有一个参数RD(Running Disparity)，表示10B码中的0和1数量的差别，有RD+和RD-两个情况，RD+表示10B码中1的数量大于或等于0的数量，RD-表示10B码中0的数量大于或等于1的数量，每个数据码和每个控制码都有RD+和RD-两个编码，供使用时选择以获得数据流中0和1数量的平衡。 

在控制编码中，K28.5是一个特别的控制码，在网络数据通信中作为分隔符(Comma)和识别码。 

表格1、8B／10B编码表【1】 

本发明的方法就是在位置传感编码器中设置一个位置传感码道，简称为位置码道(0001)，位置码道(0001)采用8B／10B编码，简称这种编码器为8B／10B编码器(0000)，位置码道(0001)可以是非封闭或封闭码道，非封闭码道是指码道有两个端点，封闭码道是指环形的没有端点的码道。 

按照本发明方法设置的位置码道(0001)有如下特征： 

1、码道变化引起的物理量值在两个值之间跃变或连续变化； 

2、物理量值由传感器转换成电信号且进行中点甄别变为数字位置信号(0002)； 

3、非封闭或封闭码道的位置信号(0002)由8B／10B编码的10B码首尾衔接构成单周期的码道序列(0003)，封闭码道则需将码道序列(0003)再首尾衔接成环； 

4、码道上定义一个码道原点(0004)作为绝对位置编码的零点； 

5、识别码道序列(0003)及进行位置编码需要一个参考间距(0005)和一个位置原点(0006)。 

识别码道序列(0003)时可以同时识别位置变化的方向，因此可以省略其它位移方向识别装置。码道序列(0003)的单周期性保证了位置码道(0001)的唯一性，因此8B／10B编码器(0000)是绝对式编码器。参考间距(0005)保证了在匀速位移、非匀速位移、停止位移时均可以正确的识别码道序列(0003)。 

采用不同形式的码道序列(0003)和不同形式的参考间距(0005)可以构成不同的8B／10B编码器(0000)，下面给予说明。 

一、码道序列(0003) 

图1是10B控制码和数据码沿着前进方向按照a、b、c、d、e、i、f、g、h、j顺序排列。在放置10B码时需要考虑上一个10B码的RD选择当前10B码的RD+或RD-码。为说明方便特定义下列名词： 

1、当前位置(1000)：位置原点(0006)位于的码道上的位置； 

2、当前编码(1001)：编码器对当前位置(1000)的编码，产生双向码道的编码时需要特别注意当前整数(1002)的符号； 

3、当前字节(1002)：当前位置(1000)对应的10B码的BIT； 

4、当前序号(1003)：当前字节(1002)的BIT序号，用N<3：0>表示，值大于等于0小于等于9； 

5、直线步长(1004)：直线码道上10B码的一个BIT对应的直线距离； 

6、环形步长(1005)：环形码道上10B码的一个BIT对应的旋转角度； 

7、直线总数(1006)：直线码道的全部10B码BIT的数目； 

8、环形总数(1007)：环形码道的全部10B码BIT的数目； 

9、当前相位(1008)：在当前字节(1002)上细分的位置，用P<p：0>表示，p的值由编码器的精度确定； 

10、码道数据(1009)：码道上的10B数据码，其对应的8B数据码构成的码道整数(1010)是无符号或有符号的整数，当前整数(1011)是当前位置(1000)对应的码道整数(1010)，1字节当前整数(1011)用D<7：0>表示，2字节当前整数(1011)用D<15：0>表示；3字节当前整数(1011)用D<23：0>表示，当前字节(1002)是D<7：0>或D<15：0>的低位字节或D<23：0>的低位字节时用低位字节(1012)表示，当前字节(1002)是D<23：0>的中间字节时用中间字节(1013)表示，当前字节(1002)是D<15：0>的高位字节或D<23：0>的高位字节时用高位字节(1014)表示。 

11、码道分隔(1015)：等间隔分布在码道上的10B控制码K28.5，当前字节(1002)是码道分隔(1015)时用分隔字节(1016)表示； 

12、码道控制(1017)：码道上出现的非码道分隔(1015)功能的10B控制码； 

13、参考分隔(0018)：放置在码道原点(0004)的码道分隔(1015)； 

14、码道参考(1019)：即码道原点(0004)，位于参考分隔(1018)的后退方向端点。 

图2是按照本发明的方法实现的码道序列(0003)的几个优选实例。 

第一个码道序列(0003)优选实例是1字节单向码道序列，参考分隔(1018)位于码道后退方向的端点，从码道后退方向端点起向前进方向码道分隔(1015)和1字节码道数据(1009)交替放置，码道数据(1009)按照码道整数(1010)的值从小到大顺序放置，直线码道在码道前进方向的端点添加一个码道分隔(1015)结尾，环形码道的最后一个码道数据(1009)与参考分隔(1018)衔接。 

第二个码道序列(0003)优选实例是1字节双向码道序列，参考分隔(1015)位于码道的中间，从码道后退方向端点起向前进方向码道分隔(1015)和1字节码道数据(1009)交替放置，从参考分隔(1010)起始，向码道后退方向按照码道整数(1010)值从大到小顺序放置负值码道数据(1009)，向码道前进方向按照码道整数(1010)值从小到大顺序放置正值码道数据(1009)。直线码道在码道前进方向的端点添加一个码道分隔(1015)结尾，环形码道的码道前进方向端点的码道数据(1009)与码道后退方向端点的码道分隔(1015)衔接。 

l字节单向和双向码道的当前编码(1001)为： 

D<7：0>

L/K

N<3：0>

P<p：0>

其中L／K有2个状态，当前字节(1002)分别是分隔字节(1016)或低位字节(1012)，最大直线总数(1006)为256×2×10+10，最大环形总数(1006)为256×2×10。 

第三个码道序列(0003)优选实例是2字节单向码道序列，参考分隔(1018)位于码道后退方向的端点，从码道后退方向端点起向前进方向码道分隔(1015)、低位码道数据(1009)、高位码道数据(1009)交替放置，码道数据(1009)按照码道整数(1010)的值从小到大顺序放置，直线码道在码道前进方向的端点添加一个码道分隔(1015)结尾，环形码道的最后一个码道数据(1009)与参考分隔(1018)衔接。 

第四个码道序列(0003)优选实例是2字节双向码道序列，参考分隔(1015)位于码道的中间，从码道后退方向端点起向前进方向码道分隔(1015)、低位码道数据(1009)、高位码道数据(1009)交替放置，从参考分隔(1010)起始，向码道后退方向按照码道整数(1010)值从大到小顺序放置负值码道数据(1009)，向码道前进方向按照码道整数(1010)值从小到大顺序放置正值码道数据(1009)。直线码道在码道前进方向的端点添加一个码道分隔(1015)结尾，环形码道的码道前进方向端点的码道数据(1009)与码道后退方向端点的码道分隔(1015)衔接。 

2字节单向和双向码道的当前编码(1001)为： 

D<15：0>

H／L／K

N<3：0>

P<p：0>

其中H／L/K有3个状态，当前字节(1002)分别是分隔字节(1016)或低位字节(1012)或高位字节(1014)，最大直线总数(1006)为256×256×3×10+10，最大环形总数(1006)为256×256×3×10。 

第五个码道序列(0003)优选实例是3字节单向码道序列，参考分隔(1018)位于码道后退方向的端点，从码道后退方向端点起向前进方向码道分隔(1015)、低位码道数据(1009)、中间码道数据(1009)、高位码道数据(1009)交替放置，码道数据(1009)按照码道整数(1010)的值从小到大顺序放置，直线码道在码道前进方向的端点添加一个码道分隔(1015)结尾，环形码道的最后一个码道数据(1009)与参考分隔(1018)衔接。 

第六个码道序列(0003)优选实例是3字节双向码道序列，参考分隔(1015)位于码道的中间，从码道后退方向端点起向前进方向码道分隔(1015)、低位码道数据(1009)、中间码道数据(1009)、高位码道数据(1009)交替放置，从参考分隔(1010)起始，向码道后退方向按照码道整数(1010)值从大到小顺序放置负值码道数据(1009)，向码道前进方向按照码道整数(1010)值从小到大顺序放置正值码道数据(1009)。直线码道在码道前进方向的端点添加一个码道分隔(1015)结尾，环形码道的码道前进方向端点的码道数据(1009)与码道后退方向端点的码道分隔(1015)衔接。 

3字节单向和双向码道的当前编码(1001)为： 

D<23：0>

H／M／L／K

N<3：0>

P<p：0>

其中H／M／L/K有4个状态，当前字节(1002)分别是分隔字节(1016)或低位字节(1012)或中间字节(1013)或高位字节(1014)，最大直线总数(1006)为256×256×256×4×10+10，最大环形总数(1006)为256×256×256×4×10。 

图3和图4给出了使用码道控制(1017)的几个优选实例，解决码道多段拼接带来的问题。 

图3说明在2字节码道中，用1个码道控制(1017)标记接缝，码道控制(1017)位于低位字节位置或高位字节位置可选择，12个控制码可以唯一的标记出2×12个接缝。 

图4说明在3字节码道中，如果用2个码道控制(1017)标记接缝，一个码道控制(1017)位于低位字节位置，一个码道控制(1017)位于高位字节位置，12个10B控制码可以在码道上唯一的标记出12×12个接缝，如果用1个码道控制(1017)和一个码道数据(1009)标记接缝，码道控制(1017)位于低位字节位置则码道数据(1009)位于高位字节位置，码道控制(1017)位于高位字节位置则码道数据(1009)位于低位字节位置，12个10B控制码和256个数据码可以在码道上唯一的标记出2×12×256个接缝。 

当编码器识别出码道接缝后，将接缝的影像与参考间距(0005)比对即可得到接缝的尺寸，然后对8B／10B编码器(0000)的编码输出做出相应的修正。 

如果应用需要，码道序列(0003)中可以采用更多的数据字节和更多变化的使用10B控制码。码道序列(0003)可以采用其它类似的构成形式，只要可以产生具有唯一性的编码输出即可。 

二、光电8B／10B编码器(0000)的光路 

为了说明采用本发明方法实现的优选实例，先说明本发明的方法应用于光电8B／10B编码器(0000)光路及传感器的优先实例。 

图5是光电8B／10B编码器(0000)的光学放大及光电信号的示意图，光电码道的光学影像经过一个柱面凹透镜和一个柱面凸透镜放大后投射到线阵传感器上，图5最右边两列分别是光学影像和电信号示意图。由于光波的衍射，光电码道的最小尺寸有限制，此外线阵传感器的单元间距固定，光学放大的作用：1、将确定尺寸的码道影像映射到更多的线阵单元上以获得更高的空间分辨率，2、使码道影像尺寸和线阵传感器的尺寸适配。 

图6是光电8B／10B编码器(0000)的直线码道的照明示意图，球面透镜将光源的光转换成平行光，平面反射镜只在图5所示的装置放置在码道侧方时使用，图5所示的装置放置在码道上方时不需要平面反射镜。 

图7是光电8B／10B编码器(0000)的环形码道的照明示意图，球面透镜将光源的光转换成平行光，平行光将部分环形码道投射成扇形影像，变半径弧面反射镜将扇形影像反射成径向光矩形影像，柱面凹透镜将径向光矩形影像转换成和直线码道一样的平行光矩形影像。变半径弧面反射镜上任意一点法线的特征 是：1、与码盘平面的夹角是45度，2、在码盘平面上的投影与码盘平面的径向重合。 

三、单码道8B／10B编码器(0000) 

单码道8B／10B编码器(0000)是指只有一个8B／10B码道没有其它码道的编码器，前面已经说明这样的编码器还需要一个参考间距(0005)装置，线性传感器阵列既是对码道变化采样的装置也是参考间距(0005)装置。在光电编码器中，线阵Charge-Coupled Device(CCD)或线阵CMOS Active Pixel Image Sensor (CMOS APIS)是参考间距(0005)装置，在磁电编码器中，线阵霍尔器件或线阵磁头是参考间距(0005)装置，等等，这些线阵的相邻阵元间的距离是参考间距(0005)的值。下面以光电编码器为例说明单码道8B／10B编码器的工作过程。 

图8是用面阵传感器对码道影像进行光电转换的示意图，图中左边的小方块是面阵光电传感器的阵元。采用面阵可以满足高速编码器传感器曝光时间短的需求，码道宽度方向的行阵元的输出叠加以获得更好的传感信号，面阵就等效于一个列线阵，码道方向列阵元的间距除以光学放大系统的倍率就是参考间距(0005)和编码单位位置变化。图中码道序列(0003)的10B码的一个BIT的影像被映射到8个线阵阵元上，表示直线步长(1004)或环形步长(1005)是8倍的参考间距(0005)，当前相位(1008)有8个变化值，即P<p：0>等于P<2：0>，如果光学放大倍率更大或线阵的阵元间距更小，一个BIT的影像被映射到更多的线阵阵元上，当前相位(1008)则有更多的变化值。 

线阵传感器的一个列阵元或面阵传感器的一行列阵元，一般处于列方向的中部，被选择和标定为位置原点(0006)，位置原点(0006)在码道上的位置就是位置传感器的绝对位置，在位置原点(0006)的两边各检测出一个码道分隔(1015)及两个码道分隔(1015)之间的码道数据(1009)，编码器就可以输出绝对位置编码。如果检测出码道控制(1017)，则要在位置原点(0006)的某一边继续检测出码道数据(1009)直至检测出一个码道分隔(1015)，编码器才能够输出绝对位置编码。 

如果在光电传感器上放置一个或多个温度传感器，则可以根据当前温度和单晶硅的热胀系数校准直线码道的参考间距(0005)和直线步长(1004)，热胀不改变环形码道的码道序列(0003)对角度的分割，因此不需要进行校准。 

四、多码道8B／10B编码器(0000) 

单码道8B／10B编码器(0000)需要附加的装置提供参考间距(0005)，高精度的系统采用高成本的线阵甚至面阵传感器对码道进行采样，线阵或面阵传感器同时也被作为参考间距(0005)装置，另一种获得参考间距的方式是采用参考间距码道，参考间距码道周期可以被用来确定参考间距，在本说明中称呼这种编码器为多码道编码器。 

多码道8B／10B编码器(0000)有一条(环)8B／10B码道，还有一条(环)或两条(环)参考间距(0005)码道，参考间距(0005)码道和增量式编码器所采用的码道一样，是周期性变化且周期相同的码道，有两条(环)参考间距(0005) 码道时，两条码道位置差是四分之一变化周期，高精度8B／10B编码器(0000)编码器采用分组的面阵传感器就可以同时检测全部码道的变化，即将可分组的面阵传感器分成2组或3组面阵，这些面阵在码道宽度方向的行阵元输出叠加构成列线阵，每个列线阵检测一个码道，面阵传感器的一行列阵元，一般处于列方向的中部，被选择和标定为位置原点(0006)，位置原点(0006)在码道上的位置就是位置传感器的绝对位置，在位置原点(0006)的两边检测和识别码道序列的10B码，由相邻列阵元的间距和(或)参考间距码道的周期确定参考间距，等等，这里不再赘述。 

下面以一个简化的角位置光电8B／10B编码器(0000)作为优选实例说明不采用面阵传感器的低成本的多码道8B／10B编码器(0000)的实现方法，这种光电编码器采用低成本的分立光电转换器件，图9是码道变化的示意图，该优选实例有3个环形码道： 

1、两个参考间距(0005)码道A和B，传感信号为正弦波或方波，它们的变化周期是4*D，A比B或B比A滞后D，参考间距与D成比例； 

2、一个8B／10B码道Z，传感信号为方波且非周期的与A或B码道及信号过零(正弦波)或翻转(方波)的同时翻转。 

用两个传感单元分别采样A和B码道的变化，用一个传感单元采样Z码道的变化时其位置是位置原点，用两个传感单元采样Z码道时二者位置的中点是位置原点。传感信号A、B、Z均需经过施密特电路以消除翻转毛刺，采用两个参考间距(0005)码道是为了简捷的确定位移的方向。为了简捷说明，特做如下约定： 

1、正向位移时B比A滞后D，反向位移时A比B滞后D； 

2、Z总是在A过零(正弦波)或翻转(方波)时翻转。 

本发明的方法对参考间距(0005)码道的传感信号A和B的处理和使用方法与其它类型编码器的方法没有什么区别，Z的传感信号是码道序列(0003)。 

图9码盘的码道序列(0003)是K28.5、D0.0、K28.5、D1.0、K28.5、D2.0、K28.5、D3.0等8个10B码。码盘图案是在假设码盘不透明时、传感信号的输出是正极性或高电平、顺时针旋转为正向旋转的情况下绘制。该光电编码器的动态范围是4×2×10×2＝160，因此其精度是360°／160。 

图10是图9所示码盘正向等速旋转时的传感信号时序示意图，图11是图9所示码盘反向等速旋转时的传感信号时序示意图，其中的XNOR信号是将A和B信号进行逻辑异或非的结果，XOR信号是将A和B信号进行逻辑异或的结果，XNOR和XOR信号可以作为硬件时序逻辑的时钟信号。如果A、B是正弦波，则图10和图11中的A、B是对基本传感信号A、B进行过零甄别的结果。 

图12是用一个20级的双向移位寄存器对图9所示码盘的Z信号采样的示意图，正向位移时Z被右移进入移位寄存器，移位寄存器的输出是F<01：20>，反向位移时Z信号左移进入移位寄存器，移位寄存器的输出是B<01：20>，FCK和BCK分别是右移位和左移位时钟，FDA和BDA分别是正向位移和方向位移 时的Z信号，FDA和BDA是同一个信号或不同的信号，FDA和BDA不是同一个信号，表示用两个光电转换器对Z信号进行采样，对图9所示的码盘，两个光电转换器的位置距离是A信号20次翻转，这样可以在位移换向时保持编码器输出的连续性。如果在两个码道分隔(1015)之间有更多的数据码，则移位寄存器的级数需要增加到30级、40级、…等等。如果采用单向移位寄存器记忆Z信号，则增加了控制码寄存器和数据码解码器的复杂程度。 

图13是一个控制码检测器的示意图，当F<01：10>或F<11：20>或B<01：10>或B<11：20>分别是码道分隔(1015)时，K28.5F01-10或K28.5F11-20或K28.5B01-10或K28.5B11-20等信号分别有效，这些信号是除10计数器的同步清零信号，这些信号也是10B／8B数据译码器输出的8B数据的同步采样信号，D/K信号表示当前位置是10B控制码(D／K＝0或D／K＝1)或10B数据码(D／K＝1或D／K＝0)区域，控制区域和数据区域分别与D／K值的对应关系由设计者决定。如果Z码道中有码道分隔(1015)以外的码道控制(1017)，也由控制码检测器检测。 

图14是10B／8B数据译码器的示意图，当K28.5F01-10或K28.5F11-20或K28.5B01-10或K28.5B11-20等信号分别有效时，将F<11：20>或F<01：20>或B<11：20>或B<01：10>等分别译码为8B数据，数据译码器的输出是位置数据的高位。如果在两个码道分隔(1015)之间有更多的数据码，则移位寄存器的级数需要增加到2×8B、3×8B、…等等。 

图15是除10计数器的示意图，其输出是N<3：0>每当A信号翻转时，除10计数器加1(正向位移)或减1(反向位移)，N<3：0>的最小值和最大值分别是0和9，N<3：0>为9时加1后为0，N<3：0>为0时减1后为9，FCK和BCK分别是正向位移加1时钟和反向位移减1时钟，FCR和BCR分别是正向位移和反向位移的同步清零信号，保证除10计数器失去同步时在A信号10次翻转内恢复除10计数器的同步。 

图16是A和B信号变化时的编码器状态变化示意图，A0B0→A1B0、A1B0→A1B1、A1B1→A0B1是正向位移的状态变化，A0B0→A0B1、A0B1→A1B1、A1B1→A1B0、A1B0→A0B0是反向位移的状态变化，当位移换向时，B／F信号也随之变化，B／F为0表示正向位移，B／F为1表示反向位移，S是对Z信号的采样，M表示双向移位寄存器的输出。 

图17是采用图9所示码盘的编码器输出数据C的示意图，其中D<7：0>是10B／8B数据解码器的输出，D/K是K28.5控制码检测器的输出，N<3：0>是除10计数器的输出。如果A、B是方波信号，则图17中的B就是传感信号B，C的最大输出范围是256×2×10×2＝10240；如果A、B是正弦波，则图10中的P<2：0>是假设对传感信号B设置7个门限电平的判别结果，C的最大输出范围是256×2×10×8＝40960。单向码道和双向码道的C与D<7：0>、D／K、N<3：0>、B、P<2：0>的对应关系不同，单向码道的C是一个无符号整数(unsigned integer)，双向码道的C是一个有符号整数(signed integer)。 

图9所示码盘正向位移时，起始10B码是码道分隔(1015)，码道数据(1009)和码道分隔(1015)交替，码道数据(1009)从D0.0(8B码00)开始，码道数据(1009)每次出现时其对应的8B码的值加1，直至全部位移范围。 

当编码器的动态范围需要大于10240(A、B是方波)或40960(A、B是正弦波)，可以在每两个码道分隔(1015)之间插入两个码道数据(1009)，因此最大动态范围就被扩展为256×256×2×10×2＝2621440(A、B是方波)或256×256×2×10×8＝10485760(A、B是正弦波)，如果在每两个码道分隔(1015)之间插入更多的码道数据(1009)，则可以获得更大的动态范围。编码器的设计者还可以在Z信号的编码中添加码道控制(1017)，以满足特定的应用需求。 

当Z信号的编码不是码道分隔(1015)和码道数据(1009)交替的情况时，如两个控制码之间有更多的码道数据(1009)、有码道控制(1017)等，对Z信号采用的双向移位寄存器(图12)、控制码检测器(图13)、10B／8B数据解码器(图14)等都需要有相应的变化以满足要求。 

适当选择码道分隔(1015)、码道数据(1009)、码道控制(1017)等的RD+或RD-可以使码盘上Z信号的0和1的数量平衡，因此可以消除码盘的偏重。 

8B／10B编码器的信号采样、处理、输出等，既可以用硬件实现，也可以用微处理器(MCU)的软件实现，图12、图13、图14、图15、图16、图17等给出了用硬件产生当前整数(1011)、当前字节(1002)、当前序号(1003)、当前相位(1008)等并输出编码的示意图，图18是采用微处理器的8B／10B编码器的优选实例示意图，微处理器用软件程序产生当前整数(1011)、当前字节(1002)、当前序号(1003)、当前相位(1008)等并输出编码。 

在图18中，传感信号A、B、Z分别接到MCU的输入端口PA0、PA1、PA2，如果输入端口PA0和PA1可以设置成在信号的上升沿(Rising Edge)和下降沿(Falling Edge)均向MCU申请中断，编码器的性能则更佳，对输入端口PA2没有特别要求。输出端口PB0、PB1、PB2分别是输出A、B、Z等信号的端口，将信号送往上级系统。RxD和TxD是异步通信端口，接收上级系统的指令和将编码数据传送给上级系统。在强干扰的环境下工作的编码器，PB0、PB1、PB2、TxD需要驱动光隔离器的电流环，RxD也需要一个光隔离器，由上级系统的TxD驱动。MCU的电源VCC上并联一个串接二极管的电池，在电源掉电时保持MCU内部的数据，编码器在再次加电后就可以象绝对式编码器一样，立即从编码器获得绝对位置信息。 

五、其它说明 

在说明本发明的方法时，一些地方有采用了光电编码器作为优选实例进行说明，但本发明的方法也可以应用于其它物理量位置编码器，如感应式编码器、电容式编码器、磁电式(霍尔)编码器等，只要可以构建10B码道序列(0003)传感信号并编码的系统中均可以应用本发明的方法。 

8B／10B编码是为了高速传输数据而设计的编码，因此8B／10B码道的传感信号可以高速的传送给系统控制装置，因此可以满足高速位置传感系统的需要。 

8B／10B编码器(0000)的动态范围没有限制，在对直线步长(1004)进行适当的温度补偿和校正的情况下，可以满足高精度、长距离直线编码的需求。 

8B／10B编码器(0000)是一种混合式绝对值编码器；与常规的增量式编码器相比，其计数器失去同步时在数十步长内即可恢复同步；与常规的绝对式编码器相比，其码道数量少，同样在加电时就可以获得其绝对位置信息，而且动态范围没有限制；与常规的混合式绝对值编码器相比，其传感信号的数量少，结构简单。 

参考文献 

【1】IEEE Std.802.3-2012，Section Three，36.2.4.8B／10B Transmission Code。

Claims (10)

1.一种位置传感码道的编码方法，包括：

a)码道变化引起的物理量值在两个值之间跃变或连续变化；

b)物理量值由传感器转换成电信号且进行中点甄别变为数字位置信号；

c)非封闭或封闭码道的数字位置信号由8B／10B编码的10B码首尾衔接构成单周期的码道序列，封闭码道则需将码道序列再首尾衔接成环；

d)码道上定义一个码道原点作为绝对位置编码的零点；

e)提供一个参考间距用于识别码道序列及进行位置编码。

2.一种位置传感码道的单向码道序列，包括：

a)等间隔的放置码道分隔K28.5的10B码，非封闭码道以码道分隔起始以码道分隔结束，封闭码道的结尾省略去一个码道分隔，起始码道分隔是参考分隔，码道原点位于参考分隔的后退方向端点；

b)每两个码道分隔间放置一个或数个码道数据Dxx.x或码道控制Kxx.x的10B码，有码道控制时码道数据和码道控制构成一个标记，只有码道数据时码道数据的8B码构成一个单字节或多字节的无符号码道整数；

c)码道整数标记绝对位置，从码道原点起向前进方向从小到大依次放置。

3.一种位置传感码道的双向码道序列，包括：

a)等间隔的放置码道分隔K28.5的10B码，非封闭码道以码道分隔起始以码道分隔结束，封闭码道结尾省略去一个码道分隔，作为参考分隔的码道分隔位于码道中间，码道原点位于参考分隔的后退方向端点；

b)每两个码道分隔间放置一个或数个码道数据Dxx.x或码道控制Kxx.x的10B码，有码道控制时码道数据和码道控制构成一个标记，只有码道数据时码道数据的8B码构成一个单字节或多字节的有符号码道整数；

c)从码道原点向前进方向从小到大依次放置正值码道整数，从码道原点向后退方向从大到小依次放置负值码道整数。

4.一种位置传感码道的多段码道接缝的标记及尺寸校准方法，包括：

a)两字节10B数据码的码道用一个10B控制码标记接缝，控制码位于10B数据码的低位字节位置或高位字节位置；

b)三字节10B数据码的码道用两个10B控制码标记接缝时，控制码分别位于10B数据码的低位字节位置和10B数据码的高位字节位置。

c)三字节10B数据码的码道用一个10B控制码和一个10B数据码标记接缝时，控制码位于10B数据码的低位字节位置则数据码位于10B数据码的高位字节位置，控制码位于10B数据码的高位字节位置则数据码位于10B数据码的低位字节位置；

d)接缝影像与参考间距比对得到接缝的尺寸。

5.一种将环形码道的扇形影像转换成矩形影像的光学装置，包括：

a)一个变半径弧面反射镜，将平行光投射成的部分环形码道的扇形影像反射成径向光矩形影像；

b)一个柱面凹透镜，将变半径弧面反射镜反射的径向光矩形影像转换成平行光矩形影像；

c)变半径弧面反射镜上任意一点的法线，与码盘平面的夹角为45度，在码盘平面上的投影与码盘平面的径向重合。

6.一种单码道的位置传感的编码装置，包括：

a)一条如权利要求1的方法实现的非封闭或封闭码道，其码道序列如权利要求2或权利要求3；

b)一个线阵或面阵传感器对码道变化采样，其码道变化方向的相邻列阵元的间距是参考间距，面阵传感器在码道宽度方向的行阵元输出叠加以获得更好的传感信号；

c)线阵传感器的一个列阵元或面阵传感器的一行阵元被选择和标定为位置原点；

d)由当前整数、当前字节、当前序号、当前相位、参考间距等确定位置编码。

7.一种多码道的位置传感的编码装置，包括：

a)一条如权利要求1的方法实现的一条非封闭或封闭码道，其码道序列如权利要求2或权利要求3；

b)一条或两条周期性变化且周期相同的参考间距码道，两条码道的位置差是四分之一变化周期；

c)一个分成2组或3组的面阵传感器对码道变化采样，其码道变化方向的相邻列阵元的间距和(或)参考间距码道的周期确定参考间距，每组面阵传感器在码道宽度方向的行阵元输出叠加以获得更好的传感信号；

d)面阵传感器的一行阵元被选择和标定为位置原点；

e)由当前整数、当前字节、当前序号、当前相位、参考间距等确定位置编码。

8.一种多码道的位置传感的编码装置，包括：

a)一条如权利要求1的方法实现的一条非封闭或封闭码道，其码道序列如权利要求2或权利要求3，用一个传感单元采样码道变化时其位置是位置原点，用两个传感单元采样码道变化时二者位置的中点是位置原点；

b)两条周期性变化且周期相同的参考间距码道，两条码道的位置差是四分之一变化周期，用两个传感单元分别采样码道的变化，参考间距与码道变化周期成比例；

c)由当前整数、当前字节、当前序号、当前相位、参考间距等确定位置编码。

9.一种多码道的位置传感的编码装置，包括：

a)如权利要求8的编码装置；

b)用硬件电路生成当前整数、当前字节、当前序号、当前相位、参考间距的值并输出位置编码。

10.一种多码道的位置传感的编码装置，包括：

a)如权利要求8的编码装置；

b)用软件程序生成当前整数、当前字节、当前序号、当前相位、参考间距的值并输出位置编码。