光電編碼器可以通過光電原理將一個機械的幾何位移量轉換為電子信號(電子脈沖信號或者數據串)。它是一種集光、機、電為一體的數字化檢測裝置，具有精度高、結構簡單、體積小、使用可靠、易于維護、性價比高等優點。

一般來說，根據光電編碼器產生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對式以及復合式3大類。增量式旋轉光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實現小型化。它的外觀好像一個電位器，因其外部有一個可以左右旋轉同時又可按下的旋鈕，很多設備(如顯示器、示波器等)用它作為人機交互接口。在車載電子設備中被廣泛用于顯示器菜單選擇、汽車音響的音量控制調節以及汽車空調的控制調節等。筆者主要以日本阿爾卑斯EC11J微型光電編碼器為例，分析了增量式旋轉編碼器的構造及原理，進一步提出了在汽車音量控制調節過程中如何用軟件程序實現輸出脈沖的辨向和計數的方法。文中如不特別說明，所提到的編碼器均指增量式旋轉光電編碼器。

1 光電編碼器的構造與工作原理

1．1 編碼器的構造

典型的增量式光電編碼器主要由機械系統、數據掃描系統、電氣系統3大部分組成。機械系統主要起外殼和轉動支撐作用。

數據掃描系統由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件組成，如圖1所示。碼盤上刻有節距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；檢測光柵上刻有A、B兩組與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節距和碼盤上的節距相等，并且兩組透光縫隙錯開1／4節距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°。在大多數情況下，直接從編碼器的光電檢測器件獲取的信號電平較低，波形也不規則，還不能適應于控制、信號處理和遠距離傳輸的要求。所以，在編碼器還必須將此信號放大、整形。

電氣系統部分主要包括保護電路、放大電路、抗干擾電路、數據轉換輸出等。

1．2 編碼器的工作原理

當碼盤隨著轉軸轉動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件會輸出兩組相位差90°的脈沖信號。

圖2(a)為光電式編碼器的A／B相脈沖信號發生的典型電路。虛線框為縫隙，如果檢測光柵擋住光源的光線射向光電三極管，三極管呈截止狀態。此時A／B相輸入因上拉電路的影響呈邏輯高電平，如圖2(b)所示。反之，光電三極管受發光二極管的照射，呈飽和態(即導通)。此時A／B相因與地相接呈邏輯低電平。因此當碼盤旋轉時，會產生如圖3所示的A／B相脈沖。

為了在使用中達到準確轉動的目的，設計者將編碼器的碼盤一周平分成若干等份，并安裝彈簧，使得編碼器只要旋轉就一定旋轉出最小刻度的整數倍。當編碼器正向旋轉的時候，A相比B相超前90°，反向旋轉的時候，A相比B相落后90°。這樣，就可以通過轉動的刻度來確定編碼器的旋轉量，通過A／B相脈沖的相位關系得知編碼器的旋轉方向。

2 編碼器在汽車音響系統中的應用

2．1 編碼器的應用

EC11J系列編碼器是日本阿爾卑斯電氣株式會社生產的車用小型高精度滑動式編碼器。主要用于汽車導航器，音響的音量調節和空調溫度調節旋鈕以及菜單選擇等。

在現代汽車音響系統中，由于車載電子的電源為車內自帶的蓄電池，電源常常會受外界的干擾(如路面顛簸，發動機轉速提高等等)，造成電壓不穩，這樣即使電位器的位置沒有變化，也會因為蓄電池電壓的變化使得電位器輸出電壓變化，這樣就會導致即使沒有調節音量，音量也會隨蓄電池電壓的變化而變化，因此一般不采用輸出為模擬電壓信號的電位器作為調節旋鈕。

而編碼器輸出的是穩定可靠的數字信號，可以通過下一級設備的可編程控制，實現對音量的準確調節，并消除干擾。編碼器使用時能夠360°旋轉，響應速度快，旋轉量計量精確，旋轉聲響微小，同時它壽命長、不產生噪聲，電路簡單，這都是電位器無法比擬的。相對于電位器和其他元件來說更有利于音量調節這樣的需要連續變化的控制。

2．2 編碼器輸出控制電路程序設計

編碼器的輸出脈沖的辨向和計數可以通過硬件電路實現，也可以用軟件方法實現。以下主要介紹單片機編程控制來實現脈沖的辨向和計數。本方法采取1 ms定期查詢方式讀取A／B相脈沖狀態，為了保證讀取A／B相脈沖狀態的正確性，需要進行3次一致性的消抖，然后依據編碼器輸出波形的相位關系，判斷出編碼器的旋轉方向和旋轉量。具體軟件流程圖如圖4所示。


2．3 程序測試要點

汽車音響系統中采用編碼器作為音量調解旋鈕，搖擺晃動量小，旋轉定位虛位小。但是車輛在行駛過程中，發動機以及其他車載電子設備都有可能對編碼器的輸出波形產生電磁干擾或其他干擾，這就需要程序能夠識別干擾，不會誤計數和判錯方向。可以利用信號發生器產生脈沖，模擬編碼器輸出脈沖，并將其連接到單片機的輸入端口，從以下幾個方面對程序進行測試。

1)正反方向和增減量的確認

給單片機輸入n周期正方向脈沖，波形如圖5所示，驗證程序是否能正確無誤檢測出正向并驗證增減量是否增大n。同理驗證反方向。


2)單相斷線錯誤確認

當編碼器出現故障，A相或者B相斷線，斷的一相恒為邏輯高電平或者恒為邏輯低電平，另一相為正常變化的脈沖波形。利用信號發生器模擬編碼器A相或者B相異常，恒為高或者低，共計4種情況如圖6。測試程序是否能夠識別出異常，并且計數量不會變化。

汽車在途徑碎石路時會產生強烈微震動，及車載其他電子設備的電磁干擾，都會影響編碼器輸出不正常的邏輯波形如圖7所示。經過測試確認這些微震動不會導致程序變量值的變化。


3 結束語

光電旋轉編碼器具有旋轉操控性好、旋轉定位準確以及體積小、重量輕、結構簡單、可實現數字量輸出等綜合技術優勢，同時配有單片機等下一級可編程設備的準確無誤的信號識別，具有很強的抗干擾能力，在車載電子產品中得到了廣泛的應用。

隨著汽車工業的飛速發展，電子技術的應用幾乎深入到汽車所有的系統。采用新原理應用新技術的各類新型光電編碼器將會不斷出現，并向著小型化、智能化和集成化的方向發展，以滿足汽車安全性、舒適性、經濟性和娛樂性的需要。