基于旋转编码器实现对转动天线角度的测量

2012-09-23文丨陈程光磊

中国传媒科技 2012年2期

文丨陈伦胡晓程光磊

转动天线角度测量方式演变

831台在用的1号和2号ZT-1型转动天线，是我国自行试制的第一副大功率、高增益、宽频段、多方位短波同相水平转动天线。

天线角度取样初期是采用与转动天线中心支柱同步联动大齿轮带动固定位置的转换机构再带动光电码盘方式来实现。光电码盘编码方式采用BCD码（如表1），其上同轴开十圈透光孔，光源通过透光孔对光敏电阻进行照射采样，信号经逻辑判断后送至个、十、百位0—9十层数码管显示相应数字，从而准确指示位置信息。

此方式在使用中由于机械磨损造成转动天线中心支柱偏心，打坏的大齿轮跳齿，致使天线实际位置与指示位置不一致；再加上取样用的光电码盘产品落后，体积较大，光源不稳定，经常出现漏码，造成天线定位精度低。

经改造后将原采样结构改为弹性随动取样结构，克服天线中心偏心问题，将原光电码盘改为KOYO公司的TRDNA系列绝对值型旋转编码器。它属于一种超小型、高速响应、采用金属光栅、输出为无读取误差的格雷码编码器。绝对值型编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16 线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的亮、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器，这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码；抗干扰能力强，没用累积误差，体积小；电源切断后位置信息不会丢失，它不受停电、干扰的影响。

格雷码（又叫循环二进制码或反射二进制码）介绍

格雷码（Gray Co）是一种绝对编码方式，对应旋转角度以格雷码形式并行输出绝对位置值。格雷二进制码是为了弥补二进制码的缺陷而产生的代码。因为在二进制码中当从某一个数到下一个数变化时，可能同时有2个以上的数据位发生变化，例如从十进制的3转换为4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲，由于对各位读取的时序上的差异，可能造成读出错误。为了解决此问题，设计一种代码，使其在从任一数到下一数变化时，只有一个数据位变化，以避免读取错误，这样的代码即格雷二进制码，是一种错误最小化的编码方式。而且无需计数器，它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格雷反射码或循环码。下面以四位代码为例，由格雷码与二进制码的对照表导出两种代码相互转换的逻辑表达式（如表1）：

格雷码转换成自然二进制码，其法则是保留格雷码的最高位作为自然二进制码的最高位，而次高位自然二进制码为高位自然二进制码与次高位格雷码相异或，而自然二进制码的其余各位与次高位自然二进制码的求法相类似。

某二进制格雷码为 Gn-1 Gn-2…G2 G1 G0

其对应的自然二进制码为 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异或Bi i=1,2…，n-1

表1

图1 天线角度取样方框图

表2

天线角度的测量

通过以上的分析，由于格雷码不是权重码，每一位码没有确定的大小，不能直接转换为角度信号，要进行一次码变换，变成自然二进值码。采样角度以格雷码的形式进入PLC后（如图1），需在PLC中对格雷码进行异或逻辑运算，从而得到二进制码进行输出。由于我们测定的范围即天线转动角度在360°以内，编码器选分辩率为1024，就可用10位格雷码来映射转角位移量信号，天线度数变化1°时，对应的10位格雷码只变化一位。因此，我们通过一根RVVP多蕊电缆和格雷码盘相连，直接采集10位格雷码信号至PLC数字量输入模块。

下面以831台使用的TRD NA1024 NW5M（负逻辑输出）旋转编码器进行采样，天线角度为高频161°时为例（如表2）：经PLC转换后的二进制码为0111001100，十进制为460，计算得460×360°/1024=161°。

旋转编码器采集来的格雷码通过PLC梯形图完成异或运算，依次异或转换后的值就是格雷码转换后自然码的值。转换后的二进制码在PLC中通过命令转换语言将数据转换为BCD码，经PLC采集、运算后的天线实际角度信号由PLC的通讯端口采用RS232/RS485方式和上位机进行通讯，并通过RS232协议送到上位机通过显示屏显示。

进口转动天线角度的测量

2021台的Alliss转动天线是我局从德国THALES公司引进的一部大功率、高增益、全频段可实现360度全方位覆盖的500KW同相水平短波转动天线。

为了提高控制精度，从而实现精确定位，德国Alliss转动天线使用了TWK公司生产的绝对值型旋转编码器，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点；其由传感器，光栅盘和光电检测装置组成。它将转轴的任意位置量利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，从而读出一个固定的与位置量相对应的数字码（格雷码），编码器中将光信号转换为相应的电脉冲或数字量（格雷码）的过程和格雷码转换为自然二进制码的原理与831台使用的KOYO公司的TRD-NA系列绝对值编码器是相同的，这里就不做重复介绍了。编码器输出的电压信号通过一根15芯的电缆送到天线控制系统中的角度数字模块进行运算，计算出实际角度，同时进行显示。

现在详细介绍一下进口转动天线角度的取样和测量。与831台角度编码器不同的是，在TWK编码器内部就已经将格雷码转换为BCD码，不需要在PLC中通过程序来转换，产生的BCD码经过7407 TTL 集电极开路六正相高压驱动器，输出为电压信号。因编码器中将光信号转换为相应的电脉冲或数字量（格雷码）的过程和格雷码转换为自然二进制码的原理与831台使用的KOYO公司的TRDNA系列绝对值编码器是相同的，所以我们详细介绍一下产生的BCD码经过7407 TTL 集电极开路六正相高压驱动器，输出为电压信号的变换过程。

进口转动天线的编码器内部的7407模块部分实际上是由两个7407芯片组成，11路（其中一路为奇/偶信号，其他为角度信号）集电极开路高压驱动器输出。输出的高电平为Vs（24V），低电平为0V。假设经过转换后的BCD码为01011011000，输入到7407模块部分转换为相应的高/低压信号，天线控制系统的设置为低电平有效，控制系统进行逻辑判断。

计算角度：01011011000