3、绝对式编码器原理：单圈/多圈、通讯协议（SSI/BiSS/EnDat）、格雷码与二进制码
绝对式编码器，说白了就是「一上电就知道位置」的传感器。增量式编码器你得先找零位，它不用。我最早接触绝对式编码器是在一个伺服项目里，电机一通电就报错，查了半天发现是编码器电池没电了——嗯，多圈绝对式编码器是需要电池的，这个坑我后面会细说。
3.1 单圈 vs 多圈：你到底需要多少圈？
绝对式编码器分两种：单圈和多圈。单圈的，只能记录一圈内的位置。多圈的，能记录转了多少圈。
你想想看，一个单圈绝对式编码器，分辨率是 17 位，那就是 2^17 = 131072 个位置。电机转一圈，位置值从 0 走到 131071。再转一圈，又回到 0。它不知道这是第几圈。
多圈就不一样了。它内部有个机械齿轮箱或者电子计数器，能记住圈数。比如 17 位单圈 + 12 位多圈，总共 29 位，能记录 2^12 = 4096 圈。
核心区别：
- 单圈：适合旋转角度不超过 360° 的应用，比如机械臂关节、云台。
- 多圈：适合需要记录多圈旋转的应用，比如数控机床主轴、AGV 车轮。
我在项目中遇到过一个问题：客户用单圈编码器做卷扬机的位置反馈。结果卷扬机钢丝绳收放超过一圈，位置就乱了。后来换成多圈编码器，问题解决。所以选型时一定要想清楚：你的设备会不会转超过一圈？
3.2 格雷码 vs 二进制码：为什么不用二进制？
绝对式编码器的码盘上刻着码道。每个位置对应一个唯一的码字。这个码字可以用二进制表示，也可以用格雷码表示。
二进制码有什么问题？举个例子：从 7（0111）变到 8（1000），四个位同时变化。如果码盘制造有误差，或者读取时刻不对，可能读到 1111 或者 0000，那位置就飞了。
格雷码就不一样。相邻两个码字只有一位不同。从 7 到 8，格雷码是 0100 变到 1100，只变了一位。就算读取时机不准，最多错一个 LSB 的位置。
| 十进制 | 二进制码 | 格雷码 |
|---|---|---|
| 0 | 0000 | 0000 |
| 1 | 0001 | 0001 |
| 2 | 0010 | 0011 |
| 3 | 0011 | 0010 |
| 4 | 0100 | 0110 |
| 5 | 0101 | 0111 |
| 6 | 0110 | 0101 |
| 7 | 0111 | 0100 |
| 8 | 1000 | 1100 |
格雷码转二进制，有固定公式。我一般用查表法，或者用异或运算。给你一个 C 代码片段：
// 格雷码转二进制
uint16_t gray_to_binary(uint16_t gray) {
uint16_t binary = gray;
while (gray >>= 1) {
binary ^= gray;
}
return binary;
}
// 二进制转格雷码
uint16_t binary_to_gray(uint16_t binary) {
return binary ^ (binary >> 1);
}
我的习惯：在 MCU 里处理编码器数据时，我通常先把格雷码转成二进制，再做位置计算。虽然格雷码可以直接用于查表，但二进制更符合人的直觉，调试也方便。
3.3 通讯协议：SSI、BiSS、EnDat
绝对式编码器把位置数据传出来，需要通讯协议。主流的三种：SSI、BiSS、EnDat。我一个个说。
3.3.1 SSI（同步串行接口）
SSI 是最老的，也是最简单的。它用时钟线和数据线。主设备发时钟脉冲，编码器在时钟的上升沿或下降沿输出数据位。
SSI 的帧格式：
- 起始位（通常是 0）
- 位置数据（比如 25 位）
- 状态位（比如 1 位，表示编码器是否正常）
- 校验位（可选）
- 停止位（时钟停止一段时间）
SSI 的缺点很明显：速度慢，而且没有 CRC 校验。我早期用 SSI 编码器时，遇到过数据跳变的问题，后来加了软件滤波才解决。
3.3.2 BiSS（双向同步串行接口）
BiSS 是 SSI 的升级版。它也是时钟+数据，但支持双向通讯。主设备可以往编码器写数据，比如修改参数、触发自检。
BiSS 的帧格式更复杂：
- 起始位
- 位置数据
- 状态位
- CRC 校验（6 位或 8 位）
- 停止位
BiSS 的速度比 SSI 快很多，时钟频率可以到 10 MHz 以上。而且有 CRC，数据可靠性高。
BiSS 的优势：
- 支持 CRC 校验，数据更可靠
- 支持双向通讯，可以配置编码器
- 速度快，适合高速伺服系统
3.3.3 EnDat（海德汉的协议）
EnDat 是海德汉（Heidenhain）的专利协议。它也是同步串行，但帧结构更灵活。EnDat 支持多种传输模式：位置传输、参数传输、诊断传输。
EnDat 的帧格式：
- 模式选择（4 位）
- 位置数据
- 附加信息（比如温度、速度）
- CRC 校验
EnDat 的优点是功能丰富，但缺点是专利限制，只能用海德汉的编码器。我在一个高端数控项目里用过 EnDat，确实稳定，但价格也感人。
| 协议 | 速度 | CRC | 双向通讯 | 专利 |
|---|---|---|---|---|
| SSI | 慢（~1 MHz） | 无 | 否 | 无 |
| BiSS | 快（~10 MHz） | 有 | 是 | 无（开源） |
| EnDat | 快（~8 MHz） | 有 | 是 | 海德汉 |
3.4 知识体系结构图
下面这张图，把绝对式编码器的核心知识点串起来了。你可以看到单圈/多圈、格雷码/二进制码、三种通讯协议之间的关系。
3.5 避坑指南
我曾经踩过的坑：
- 多圈编码器电池没电：多圈编码器断电后靠电池保持圈数计数。电池没电，上电后圈数就丢了。我建议在系统里加电池电压检测，低电量时报警。
- SSI 数据线太长：SSI 的时钟频率不高，但线长超过 10 米，信号就容易变形。我一般用差分 RS-422 传输，或者加中继器。
- 格雷码转二进制溢出：如果编码器位数超过 MCU 的 int 位数，转换时要注意数据类型。我吃过 uint16_t 存 17 位数据的亏。
3.6 小结
绝对式编码器的核心就三件事：单圈还是多圈、格雷码还是二进制码、用哪种通讯协议。选型时，先想清楚应用场景，再定参数。通讯协议方面，我个人推荐 BiSS，开源、可靠、速度快。当然，如果你用海德汉的编码器，EnDat 也是好选择。
嗯，这一章就到这里。记住：编码器是伺服系统的眼睛，选对了，系统就稳了一半。