Grayův kód

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Grayův kód použitý na dělícím kotouči absolutního rotačního snímače polohy (horní část obrázku, kotouč je v dolní části poškozen).

Zrcadlový binární kód, známý také jako Grayův kód podle Franka Graye, je binární číselná soustava, ve které se každé dvě po sobě jdoucí hodnoty liší v bitovém vyjádření změnou pouze jedné bitové pozice.

Zrcadlový binární kód byl původně navržen pro zabránění rušivého výstupu z elektromechanických přepínačů (hazardy relé). Dnes je Grayův kód používán pro podporu opravy chyb v digitální komunikaci jako je digitální pozemní televize a některé systémy kabelové televize. Grayův kód využívají také odpovídače sekundárního radaru v letadlech. Také některé snímače polohy (lineární i rotační) udávají absolutní polohu v Grayově kódu, aby byl vyloučen výskyt chybné hodnoty při přechodu mezi dvěma sousedními polohami.

Důvod vzniku[editovat | editovat zdroj]

Srovnání dvojkového a Grayova kódu, podbarvením je vyznačen různý rozsah hodnot pro různé počty použitých bitů.

Použití tohoto kódu má význam v elektrických obvodech při čtení hodnoty asynchronních (nesynchronizovaných) čítačů a absolutní snímače polohy. Obecně se problém zajištění "současnosti" v digitálních systémech řeší pomocí synchronizačního (hodinového, vzorkovacího) signálu i použitím synchronních čítačů. V některých případech může být použití synchronizačního signálu nevýhodné.

Při změně hodnoty klasického binárního čítače o hodnotu ±1 dochází u každé druhé změny ve stejném směru (+ nárůst / - pokles hodnoty) ke změně na více bitových pozicích čítače. Například při přechodu z hodnoty 3 (011B) na hodnotu 4 (100B) se současně změní všechny tři bitové pozice. S nárůstem počtu n bitů pro vyjádření hodnoty (= 2n), narůstá i počet takových stavů, ve kterých dochází ke změnám na dvou a více bitových pozicích. Tyto stavy jsou na obrázku vyznačeny červeně, s uvedením počtu změněných bitů při přechodu na hodnotu ±1.

V reálném systému není nikdy možné zaručit, aby se změnilo více logických hodnot naprosto současně a není možno zajistit ani jejich naprosto současné přečtení a vyhodnocení. Toto bývá u elektroniky způsobeno různým zpožděním logických členů, přechodovými charakteristikami, parazitními kapacitami, nesynchronním snímání optického kotouče snímači a dalšími vlivy.

V případě změny na dolních bitech ze stavu 3 (xx011B) na stav 4 (xx100B) může v nejnepříznivějším případě nastat situace, kdy je přečtena hodnota 00000B nebo 00111B, prakticky může nastat libovolná kombinace nedefinovaného stavu na bitech, které jsou měněny při změně hodnoty 3/4 (00xxxB), což je 8 možných stavů. Počet takovýchto nedefinovaných změn je vyznačen na obrázku pro 5 kódových bitů. V tomto případě nastává 16 situací, kdy nelze zaručit správnost kódu. V praxi se však u absolutních snímačů využívá 10-20 bitů pro určení polohy což zvyšuje počet takových situací. Nejzávažnější je tato situace na horních bitech, kdy může dojít k úplné ztrátě relevantnosti přenášené informace. Podle příkladu na obrázku, při přechodu z hodnoty 15-16 a 31-0.

Grayův kód je navržen tak, aby eliminoval tyto nežádoucí stavy způsobující nejednoznačnost. Na obrázku je uvedeno srovnání dvojkového a Grayova kódu, kde v řádcích jsou uvedeny hodnoty shodné pro oba kódy a ve sloupcích stavy jednotlivých kódových bitů. Z grafického zobrazení je dobře patrný rozdíl mezi kódy i to, že v Grayově kódu při změně hodnoty o ±1 dochází ke změně pouze v jednom kódovém bitu.

Další využití[editovat | editovat zdroj]

Kódový dělící kotouč.

Pro svou robustnost se Grayův kód používá pro inkrementální (relativní) snímače polohy na principu jedné rotující clonky se dvěma úhlově posunutými optickými senzory, tedy s dvěma kódovými bity vyjadřující stav 0-3. Tento princip se používá nejen u CNC strojů, ale i u obyčejné myši: Vyhodnocující elektronika pak umožňuje nejen načítání vzdálenosti, ale i určení směru pohybu.

Převod kódu[editovat | editovat zdroj]

HW řešení[editovat | editovat zdroj]

Převod z Grayova kódu na klasický binární kód lze snadno realizovat pomocí logických členů XOR zapojených následovně.

ConvertGrayToBin.png

Pro převod opačným směrem, tedy z binárního kódu na Grayův, lze použít následující zapojení.

ConvertBinToGray.png

SW řešení[editovat | editovat zdroj]

Velmi snadno lze převod do grayova kódu naprogramovat v jazyku C.
unsigned int gray_encode(unsigned int b) {
  return b ^ (b >> 1);
}
Převod z grayova do binárního kódu vyjde v C-jazyku o něco složitěji:
unsigned int gray_decode( unsigned int g ) {
  unsigned int b;
  b = 0;
  while( g )  {
    b ^= g;
    g >>= 1;
  }
  return b;
}
Převod do grayova kódu v Pascalu:
function GrayEncode(b: Longint): Longint;
begin
 GrayEncode := b xor (b shr 1);
end;

Jednostopý Grayův kód[editovat | editovat zdroj]

Kódový kotouč pro
jednostopý Grayův kód.
Kódování z jednostopého snímání.

Ve výše uvedeném příkladu je pro generování kódu použito n-stop pro n-bitů, minimálně 2. Každý kódový bit je snímán ze samostatné kódové stopy. Existuje však i patentované řešení, pro které postačuje jedna kódová stopa. Snímaný kód je odlišný; je postupný, není zrcadlový a vyjadřuje 30 možných hodnot výstupní kombinace kódu, výstupní kód 0D a 31D (00H a 1FH / 00000B a 11111B) není generován. Podstatné je, že i tento kód splňuje podmínku, že při změně hodnoty o ±1 se výstupní kód mění pouze v jednom bitu.

Související články[editovat | editovat zdroj]