游标码光电角度编码器原理教育八讲（五）

这一章会稍微介绍一下编码器的基本电路工作原理，由于不能使用某个产品的实际电路，所以只能参考我自己刚开始自学时画的拓扑图来说明一下大概原理，实际产品请不要这样做，可能会有各种问题，但不影响对编码器电路基本原理的理解。

一、多层印刷线路板PCB：

我们通常拿到的PCB，只能看到最上面和最下面的电子元器件以及铜箔线路，但是很多PCB都是多层的，中间还有几层铜箔线路。一般编码器都是4层或6层PCB板，一层做为电源层，一层做为地线层，上下两层为信号层（也就是我们能看到的最上面和最下面的电子元器件以及铜箔线路），通常看见的都是焊了元器件的状态：

去掉电子元器件的PCB是这个样子：

PCB中间的铜箔线路图是这个样子：

比较难理解的是PCB板最上面一层的电路是如何和最下面一层的电路导通的，又是怎么把某一层电路和想要的任意一层电路导通的。我们看到PCB板上有很多孔，有些很细小的孔就是用来把某一层电路和想要的任意一层电路导通的，这些小孔称为过孔。过孔的孔壁里是电镀覆盖了一层铜箔的，过孔是上下贯穿的，如果不想让过孔中的铜箔和中间某层导通，那中间这一层的过孔中围就做成空的就可以了，如果某层铜箔的过孔周围没有做成空的，那这一层的铜箔就把贯穿过孔的铜箔给导通了。如下图有3个过孔就是导通的，其他过孔周围是做成空的，就没有导通这一层。这样线路就从上面一层绕过中间这一层连接到下面一层去了：

二、器件的封装和引脚标识

在做电路设计时，要参考电子元器件的DataSheet（规格书）或是Manual（说明书），需要给引脚做好编号或是起个名字，实际的芯片上厂家都会做个标识去定义是从哪个引脚开始做编号的，一般都是用圆点、小三角或是切掉一个角来标识是从这个引脚开始做编号的，同时会在芯片表面上印刷符号（也称为丝印）来标识品牌或是型号。如下图就是用小圆点来标识引脚1是从哪个引脚开始编号的：

MCU芯片的Datasheet上标识的引脚序号和名称：

再看实物就能对应得到芯片引脚实际的编号：

编码器选用的MCU一般采用32/48/64个引脚的封装，内部一般有内部晶振、系统时钟、RAM、FLASH、定时器、AD/DA、USART串口、DMA、I2C、SPI等模块。MCU引脚的功能有些是固定不变的，如3.3V电源、外部晶振、Boot外部重启、EXTAL（外部晶振）等，大部份的引脚功能都可以通过定义来决定其功能，如USART串口模块的RX/TX功能端口、I2C模块的SDA/SDC功能端口基本上都是可以定义在任意某个引脚上的，这个也称引脚功能复用。

MCU通常工作电压范围是1.2~3.3V，一般低功耗的MCU工作电压在1.2~2.7V之间都能工作，正常模式下工作电压在2.7~3.5V之间都能工作。供电电压在2.4~3.0V之间时MCU的状态不稳定，一般情况下没有办法正常工作，有可能会出错。因此MCU最好在这个电压范围内不要工作，有可能导致写入EEPROM等设备写入的数据出现错误。

光电池的主要功能就是把透过玻璃码盘的5个码道的LED灯光的光量大小转换成电信号，其中MNS三个码道的透光量转换成模拟量（透过的光量多，光电池的引脚输出的电压就大；透过的光量少，光电池的引脚输出的电压就小，两者之间是正余弦的比例关系。转轴转过一个完整的透光和不透光部份的光栅，光电池输出的模拟量电压就是一个周期完整的正余弦电压波形），MTA/MTB这两个码道的透光量转换成数字量（透光就有输出电压，不透光就没有输出电压。不过这个和光电池有关的，有些光电池输出的就是模拟量，有些光电池内部有电路直接转换输出数字量）。

三、编码器电路基础讲解

在这里面我们没有办法使用某个编码器产品的详细电路图来做说明，也不做电路设计原理说明，只是大概地按照功能模块做一下简单的电路原理说明，对于多圈绝对式编码器除了正常的5V供电还要有电池供电以便在断圈时仍然可以保持多圈计数功能。

编码器连接器和外部之间主要有3个需求：5V供电、电池Bat供电、485通讯，其中485通讯需要接收外部指令和对外传递角度信息和编码器状态信息，所以至少需要半双工通讯，因此至少需要D+/D-两个引脚。5V供电和电池Bat供电可以共用0V引脚，所以至少需要3根引脚，因此编码器连接器内至少需要5根引脚（5根导线）。上图中5V电源进来之后有一个自恢复保险丝+电感滤波，当然会在正负极之间增加不同容值的电容滤掉一些电源杂波和毛刺。两个极向相反的二极管把5V电和电池的电隔开，5V电源不能通过二极管给电池充电（因此在选择二极管的时候既要考虑二极管的压降又要考虑二极管的漏电流，流入电池的反向电流过大时有可能导致会导致电池发热爆炸，这点需要注意）。同时由于电池的电压约为3.6V，低于5V电源的电压，电池的电也不能通过二极管给VCC供电。当5V电源断掉时，电池的电就可以通过二极管给编码器供电，保持VCC始终有电。

编码器需要检测电池的电压，当电池电压低于某个阈值（这个阈值根据电池的规格书以电路的压降来选择，一般会有2个阈值，一个是电池电压低的阈值，一个是没有接入电池的阈值：如低于2.9V报电池电压低，低于2.2V报电池故障）时发出电池电压低的报警提醒用户更换电池避免编码器断电后多圈计数丢失。因此电池的电又接一路到MCU的AD采样引脚Bat_ADC，为了减少电池消耗，MCU的某个引脚Bat_EN可以使能控制电池的电和MCU的AD采样引脚之间的导通。编码器的MCU工作电压是3.3V，某些器件的工作电压是5V，所以VCC电压再接入一个线性稳压芯片将Vcc转换成比较稳定的3.3V电压。

除了检测电池电压，编码器还需要检测5V电源的电压。当5V掉电的时候，编码器如果检测到5V电压低于4.0V，就需要提前动作将编码器的工作模式切换为电池状态下的工作模式,（每隔一段时间(约6毫秒)打开LED光源和光电池检测MTA&MTB信号的状态进行多圈记数。当5V上电的时候，编码器如果检测到5V电压高低于4.2V，就要把编码器的工作状态从电池工作模式切换到正常工作模式，始终打开LED光源和光电池，每隔62.5微秒读取一次光电池的MNS三个码道的sin/cos采样值计算绝对角度、检测MTA&MTB信号的状态进行多圈记数、如果485通讯芯片有向USART串口请求数据则回复当前的编码器数据。

详细的485电路设计原理请参考其它文章，因为是半双工通讯，避免在接收数据的时候发送数据，造成信息错误导致编码器功能紊乱，MCU的某个引脚做为485通讯芯片的使能控制引脚UART_EN，在通讯的过程中主动切换485通讯芯片为接收或发送状态。

光电池针对M/N/S码道每个码道输出模拟信号使用了4个引脚，2个引脚是sin信号，2个引脚是Cos信号，sin信号引脚的标注是Sine+和Sine-，Cos信号引脚的标注是Cosine+和Cosine-，sin/cos模拟量使用了差分信号，也就是说Sine+和Sine-这两个引脚之间的电压差才是输出的模拟量电压，例如Sine+输出的电压是3.10V，Sine-输出的电压是1.10V，则Sin信号模拟量电压是3.10-1.10=2.00V。当有电压波动或是电磁干扰等发生时则这些干扰对Sine+和Sine-的影响是一样的，电压增加都增加，电压减少都减少，所以两者之间的电压差值保持不变。为了提高信号的抗干扰能力，差分信号的线路尽量要靠近在一起，布线长度尽量要一样长。

光电池的M/N/S码道输出的sin/cos模拟量信号要经过放大才能输入MCU的AD采样模块，ADC的电压采样范围是0~3.3V或是-3.3V~3.3V，因此sin/cos模拟量放大之后的电压最好是在0.3~3.0V之间，考虑到器件偏差通常在设计时将放大后的电压控制在0.5V~2.8V之间，如果sin/cos模拟量放大后的电压超过3.3V（波形削顶），超过的部份就会导致角度计算错误。5V电源下的正常工作模式时，编码器始终进行采样角度计算，但是在电池供电状态下的低功耗工作模式，每隔一段时间(约6毫秒)才打开LED光源和光电池进行多圈计数，因此MCU需要一个引脚来控制LED光源和光电池的开和断：

角度编码器是装在电机上，为了减少调试，通常会把电机的参数保存在编码器中，有些编码器采用EEPROM来保存电机参数，随着编码器的FLASH存储空间增大，有些编码器会把电机参数保存在编码器的FLASH中。

总体来说编码器的电路功能不复杂，但是电路和固件是要相互配合的，所以要对编码器的整个系统都有了全面的了解之后，再去参考单片机的基本电路来学习，依葫芦画瓢尝试几个样品，慢慢就可以掌握编码器的电路设计了。