光電編碼器是通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成一串脈沖或數字量的傳感器。在電機伺服控制系統中，它與電機同軸連接，常用來測量電機轉子的速度和位置［1］。近年來，隨著研究室小批量軍工生產的開展，需要批量采購部分絕對值編碼器等外協器件。為方便檢驗采購的編碼器，保障生產任務的按時完成，設計了一個單圈絕對值編碼器實時讀出電路板，其結構如圖1所示。基于此電路板，開發出了一個程序，它能夠實現將絕對值編碼器的數據讀入FPGA，并將數據轉換為角度值，最終驅動液晶顯示屏實時輸出角度值。這使得不需要將編碼器數據輸入到計算機就可以處理轉化為角度值，使用更加方便。程序中用到了線性變換思想，可以應用到其他程序中。電路板中用到的絕對值編碼器是BEI-IDEACOD公司的CHO5系列。液晶顯示屏為3.3 V供電的1602型LCD，FPGA采用的是Xilinx的Spartan-6系列。

1 數據讀入及去抖動

本文所采用的絕對值編碼器是BEI-IDEACOD公司的CHO5系列，它采用并行輸出模式，有13 bit數據（Data［0］~Data［12］），讀出速度快。由于電動機的旋轉或機械設備的震動，會使編碼器輸出脈沖抖動［2］，因此首先對編碼器脈沖進行了去抖動處理。下面的程序實現了數據讀入，并在去抖動后被鎖存在Gray_data中。

always@（posedge clk_50M）

begin

D0《={D0［1：0］，Data［0］}；

D1《={D1［1：0］，Data［1］}；

。。.。。.

D11《={D11［1：0］，Data［11］}；

D12《={D12［1：0］，Data［12］}；

end

always@（posedge clk_50M）

begin

Gray_data［0］《=D0［2］&D［1］&D［0］；

Gray_data［1］《=D1［2］&D［1］&D［0］；

。。.。。.

Gray_data［11］《=D11［2］&D［1］&D［0］；

Gray_data［12］《=D12［2］&D［1］&D［0］；

end

2 二進制格雷碼轉普通格雷碼

上面得到數據Gray_data還是格雷碼，因為絕對值編碼器（并行輸出）采用的是格雷碼二進制輸出。格雷碼的特點是任意兩個相鄰位其輸出格雷碼值只有一位不同［3］，這提高了數據輸出的穩定性。假設二進制格雷碼為Gn-1 Gn-2…G2G1G0，其所對應的普通二進制為Bn-1Bn-2…B2B1B0。那么它們最高位之間的對應關系如式（1）所示，其他各位的對應關系如式（2）所示。

Bn-1=Gn-1（1）

Bi-1=Gi-1^Bi， i=1，2，…，n-1（2）

根據式（1）和式（2），格雷碼二進制轉化為普通二進制的Verilog HDL代碼如下：

always@（posedge Clk_50M）

begin

Binary_data［12］=Gray_data［12］；

Binary_data［11］=Binary_data［12］^Gray_data［11］；

Binary_data［10］=Binary_data［11］^Gray_data［10］；

。。.。。.

Binary_data［1］=Binary_data［2］^Gray_data［1］；

Binary_data［0］=Binary_data［1］^Gray_data［0］；

end

該程序實現了由格雷碼二進制Gray_data向普通二進制Binary_data的轉換。

3 將二進制轉為角度值

絕對值編碼器的最小精度是由最低位決定的。因為所用的絕對值器是13 bit數據輸出，絕對值編碼器的最低位為1時，對應的角度值如式（3）所示：

因此，絕對值編碼器的最小精度為min=0.043 945 312 5°。也就是說二進制編碼每加1，度數就應該增加0.043 945 312 5°。為方便在Verilog HDL中進行處理，對這種十進制數進行一個線性變換，將其最小精度值對應二進制min_degree=2′b000000000000011010001100011000010111000101，其實就是十進制數439 453 125對應的二進制數。相對于編碼器輸出的二進制數，將這個二進制數稱為編碼二進制。這樣就對每一個編碼器輸出的13 bit二進制進行了一個線性變化，轉化為對應的編碼二進制Now_degree。其對應關系如式（4）所示，其中的“《《”是左移位運算符。

Now_degree=Binary_data［0］min_degree+Binary_data［1］（min_degree《《1）++Binary_data［11］（min_degree《《11）+ Binary_data［12］（min_degree《《12） （4）

為了得出在每一數據位（百位、十位、一直到小數點后10位）上需要輸出什么數據，需要求出每個數據位權值（即次位數據為1時的值）對應的編碼二進制，數據位權值對應的編碼二進制如表1所示。其中Decimal10_degree指的是小數點后第10位權值所對應的編碼二進制，以此類推，Hundred_degree是百位上權值所對應的編碼二進制。