絕對(duì)式編碼器通信協(xié)議指南

自動(dòng)化不斷地革新著現(xiàn)代世界。它不僅涵蓋了工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè)4.0，還涵蓋了零售和消費(fèi)領(lǐng)域，這是一個(gè)以物聯(lián)網(wǎng)為主導(dǎo)的世界，過(guò)去，物聯(lián)網(wǎng)用于自動(dòng)化物理任務(wù)，但現(xiàn)在越來(lái)越多的是機(jī)電任務(wù)。

一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)提供了一種控制物理世界的方式。然而，大多數(shù)電機(jī)相對(duì)簡(jiǎn)單，這意味著它們通常不提供位置反饋。這對(duì)于用于簡(jiǎn)單移動(dòng)負(fù)載的高性價(jià)比電機(jī)尤其如此。您可能會(huì)驚訝于發(fā)動(dòng)機(jī)仍然可以提供位置反饋？但這是真的：例如，汽車座椅可以根據(jù)用于打開和啟動(dòng)車輛的鑰匙自動(dòng)調(diào)整其位置。

這些基本電機(jī)之所以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)樗鼈兣鋫淞吮匾摹爸悄堋薄＿@種智能的關(guān)鍵是編碼器，通過(guò)它你可以知道并調(diào)整坐姿。雖然有些電機(jī)包括編碼器，但不包括編碼器的電機(jī)也可以使用外部編碼器，在設(shè)計(jì)時(shí)通常安裝在電機(jī)軸外部。在這些應(yīng)用中可以使用多種類型的編碼器，每個(gè)編碼器都有自己的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法。這可以包括一個(gè)光學(xué)編碼器，當(dāng)物體經(jīng)過(guò)光源前面時(shí)，該編碼器對(duì)光脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，或者當(dāng)磁鐵經(jīng)過(guò)霍爾效應(yīng)開關(guān)時(shí)，對(duì)產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

一些編碼器，如CUI Devices的AMT系列絕對(duì)式編碼器，既具有光學(xué)編碼器的高分辨率，又具有磁性編碼器的魯棒性。它們是通過(guò)電容編碼實(shí)現(xiàn)的，使用兩塊板：一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，由連接到轉(zhuǎn)子的第三塊板隔開。當(dāng)中心板旋轉(zhuǎn)時(shí)，它會(huì)干擾發(fā)射器和接收器之間的電容線路信號(hào)。由于故障不取決于運(yùn)動(dòng)，因此即使轉(zhuǎn)子板不運(yùn)動(dòng)，也可以檢測(cè)到其絕對(duì)位置。

常見(jiàn)的應(yīng)用要求編碼器檢測(cè)電機(jī)的速度或根據(jù)轉(zhuǎn)數(shù)解釋電機(jī)移動(dòng)物體的位置。還可能需要識(shí)別行駛方向。報(bào)告位置的方式也各不相同。如上所述，絕對(duì)式編碼器不依賴于知道先前的位置，因?yàn)樗鼮檗D(zhuǎn)子的每個(gè)可量化位置提供了唯一的值。這在需要在打開和關(guān)閉后知道發(fā)動(dòng)機(jī)位置的應(yīng)用中很有用，例如當(dāng)有人進(jìn)入車輛時(shí)。

編碼器協(xié)議

無(wú)論檢測(cè)物理運(yùn)動(dòng)的方法如何，信息都必須傳輸?shù)娇刂破?。這是通過(guò)將原始脈沖轉(zhuǎn)換為傳輸協(xié)議的另一編碼層實(shí)現(xiàn)的。

物理連接影響協(xié)議的選擇及其功能。通常，協(xié)議要么是同步的，即使用時(shí)鐘棒，要么是異步的（無(wú)時(shí)鐘棒）。此外，物理連接可以單獨(dú)終止，或者為了進(jìn)一步提高魯棒性，也可以使用差分模式。涵蓋這些選項(xiàng)的最常用協(xié)議是：串行外圍接口（或SPI、單端、同步）、RS-485（或TIA/EIA-485、差分、異步）和同步串行接口（或SSI、差分和同步）。
選擇協(xié)議時(shí)有很多考慮因素。它們最初提供了一定程度的互操作性，但也提高了通信信道的魯棒性，特別是在具有高電噪聲的應(yīng)用中，如工業(yè)電機(jī)控制。然而，這提出了一個(gè)問(wèn)題，即哪種協(xié)議最適合特定的應(yīng)用。幸運(yùn)的是，AMT系列包括提供上述三種協(xié)議的型號(hào)。因此，我們還可以仔細(xì)研究每一個(gè)協(xié)議，并充分了解其相關(guān)屬性，以便做出決策。

SPI總線

作為同步總線，SPI總線上的連接是專用時(shí)鐘信號(hào)（SCLK）。由于專用連接可用于主設(shè)備和從設(shè)備，因此所有協(xié)議也支持全雙工操作。由于所有的數(shù)據(jù)交換都是通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)協(xié)調(diào)的，所以主設(shè)備和從設(shè)備可以進(jìn)行通信，而無(wú)需首先協(xié)商諸如數(shù)據(jù)速率或消息長(zhǎng)度之類的參數(shù)。每個(gè)從設(shè)備都有一個(gè)芯片選擇引腳（圖1），允許主設(shè)備隨時(shí)控制與哪個(gè)設(shè)備通信。

例如，AMT22系列有一個(gè)SPI編碼器，可以配置為使用2-MHz工作時(shí)鐘信號(hào)。這意味著當(dāng)主設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，編碼器只能在1500ns內(nèi)響應(yīng)其當(dāng)前位置。SPI協(xié)議的布線配置也非常簡(jiǎn)單：每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)主輸出、從輸入（MOSI）和主輸入、從輸出（MISO）的專用連接。如圖1所示，每個(gè)連接都是相互連接的，主單元為每個(gè)芯片選擇引腳都有一個(gè)特殊的連接。


圖1:SPI協(xié)議為時(shí)鐘和數(shù)據(jù)使用公共連接，而芯片選擇使用私有連接

作為單端總線，當(dāng)使用高速時(shí)鐘時(shí)，SPI協(xié)議非常適合在相對(duì)較短的距離上進(jìn)行連接。如果時(shí)鐘速度降低，則可以在保持信號(hào)完整性的同時(shí)延長(zhǎng)距離。這使得SPI協(xié)議具有高度通用性，適用于各種應(yīng)用。

RS-485總線

如果應(yīng)用距離超過(guò)一米或環(huán)境中存在大量電氣噪聲，差動(dòng)母線可能是更好的選擇。這是因?yàn)椴罘中盘?hào)固有地比單端信號(hào)更魯棒。另一種可以提高魯棒性的技術(shù)是消除總線上的干凈時(shí)鐘信號(hào)。此時(shí)，RS-485總線和相關(guān)協(xié)議可能是合適的選擇。

RS-485接口采用雙絞線。由于它是差分的，因此需要在電纜的兩端進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩私印Ｈ欢?，由于它是異步的，并且總線上沒(méi)有專用時(shí)鐘信號(hào)，因此只需要兩根導(dǎo)線（圖2）就可以實(shí)現(xiàn)10Mb/s或更高的數(shù)據(jù)速率。作為一個(gè)總線，它支持多個(gè)連接，但每個(gè)連接必須終止并與電纜阻抗匹配。為了保持性能，每個(gè)設(shè)備應(yīng)以盡可能短的電纜長(zhǎng)度連接到總線。

AMT21系列使用RS-485總線/協(xié)議，只需要兩個(gè)雙絞線連接和兩個(gè)電源連接。由于它是異步的，所以所有設(shè)備都必須注意協(xié)議的配置模式。默認(rèn)情況下，AMT21系列使用8N1，即8位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位和1位停止位。在這種配置中，六個(gè)最重要的位被用作地址，這意味著一個(gè)連接最多可以支持64個(gè)可單獨(dú)尋址的設(shè)備。兩個(gè)最低有效位用于指令。當(dāng)接收到提供位置數(shù)據(jù)的命令時(shí)，AMT21系列可以在三微秒內(nèi)做出響應(yīng)。此外，還有重置編碼器和設(shè)置零位的說(shuō)明。


圖2:RS-485協(xié)議支持單個(gè)雙絞線上的多個(gè)設(shè)備

SSI總線

在標(biāo)準(zhǔn)配置中，SSI總線可以被視為RS-485總線的擴(kuò)展。沿著數(shù)據(jù)差分對(duì)，將差分對(duì)添加到時(shí)鐘信號(hào)傳輸。這意味著標(biāo)準(zhǔn)SSI接口對(duì)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)使用兩個(gè)差分對(duì)或四個(gè)連接。CUI Devices在這種設(shè)計(jì)上開發(fā)了一個(gè)變體，去掉了差速器，但增加了芯片拾取引腳。這將每個(gè)端口的引腳數(shù)從4個(gè)減少到3個(gè)，并增加了特殊芯片選擇的便利性（圖3）。

該變型與支持芯片選擇的SSI控制器兼容，并提供類似于SPI的性能水平。CUI Devices的AMT23系列使用這種SSI變體技術(shù)，可以如圖3所示進(jìn)行配置。


圖3：此SSI變體需要更少的導(dǎo)線，但支持剪輯選擇

后記

自動(dòng)化的使用只會(huì)增加。絕對(duì)式編碼器設(shè)計(jì)為與電機(jī)一起使用，以在自動(dòng)化應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更好的控制。CUI Devices在其AMT系列中開發(fā)并使用了容量編碼技術(shù)，可以同時(shí)使用上述三種通信協(xié)議。因?yàn)槊糠N協(xié)議都有其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，所以在為應(yīng)用程序選擇最佳技術(shù)時(shí)，它給了工程師更多的設(shè)計(jì)自由。

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