絕對式編碼器通信協(xié)議指南

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

一般來說，電機提供了一種控制物理世界的方式。然而，大多數(shù)電機相對簡單，這意味著它們通常不提供位置反饋。這對于用于簡單移動負(fù)載的高性價比電機尤其如此。您可能會驚訝于發(fā)動機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)用于打開和啟動車輛的鑰匙自動調(diào)整其位置。

這些基本電機之所以能做到這一點，是因為它們配備了必要的“智能”。這種智能的關(guān)鍵是編碼器，通過它你可以知道并調(diào)整坐姿。雖然有些電機包括編碼器，但不包括編碼器的電機也可以使用外部編碼器，在設(shè)計時通常安裝在電機軸外部。在這些應(yīng)用中可以使用多種類型的編碼器，每個編碼器都有自己的運動檢測方法。這可以包括一個光學(xué)編碼器，當(dāng)物體經(jīng)過光源前面時，該編碼器對光脈沖進行計數(shù)，或者當(dāng)磁鐵經(jīng)過霍爾效應(yīng)開關(guān)時，對產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)。

一些編碼器，如CUI Devices的AMT系列絕對式編碼器，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。它們是通過電容編碼實現(xiàn)的，使用兩塊板：一個發(fā)射器和一個接收器，由連接到轉(zhuǎn)子的第三塊板隔開。當(dāng)中心板旋轉(zhuǎn)時，它會干擾發(fā)射器和接收器之間的電容線路信號。由于故障不取決于運動，因此即使轉(zhuǎn)子板不運動，也可以檢測到其絕對位置。

常見的應(yīng)用要求編碼器檢測電機的速度或根據(jù)轉(zhuǎn)數(shù)解釋電機移動物體的位置。還可能需要識別行駛方向。報告位置的方式也各不相同。如上所述，絕對式編碼器不依賴于知道先前的位置，因為它為轉(zhuǎn)子的每個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)動機位置的應(yīng)用中很有用，例如當(dāng)有人進入車輛時。

編碼器協(xié)議

無論檢測物理運動的方法如何，信息都必須傳輸?shù)娇刂破?。這是通過將原始脈沖轉(zhuǎn)換為傳輸協(xié)議的另一編碼層實現(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，即使用時鐘棒，要么是異步的（無時鐘棒）。此外，物理連接可以單獨終止，或者為了進一步提高魯棒性，也可以使用差分模式。涵蓋這些選項的最常用協(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)電機控制。然而，這提出了一個問題，即哪種協(xié)議最適合特定的應(yīng)用。幸運的是，AMT系列包括提供上述三種協(xié)議的型號。因此，我們還可以仔細(xì)研究每一個協(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鐘信號（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)交換都是通過時鐘信號來協(xié)調(diào)的，所以主設(shè)備和從設(shè)備可以進行通信，而無需首先協(xié)商諸如數(shù)據(jù)速率或消息長度之類的參數(shù)。每個從設(shè)備都有一個芯片選擇引腳（圖1），允許主設(shè)備隨時控制與哪個設(shè)備通信。

例如，AMT22系列有一個SPI編碼器，可以配置為使用2-MHz工作時鐘信號。這意味著當(dāng)主設(shè)備發(fā)出請求時，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單：每個設(shè)備都有一個主輸出、從輸入（MOSI）和主輸入、從輸出（MISO）的專用連接。如圖1所示，每個連接都是相互連接的，主單元為每個芯片選擇引腳都有一個特殊的連接。


圖1:SPI協(xié)議為時鐘和數(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)使用高速時鐘時，SPI協(xié)議非常適合在相對較短的距離上進行連接。如果時鐘速度降低，則可以在保持信號完整性的同時延長距離。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)用距離超過一米或環(huán)境中存在大量電氣噪聲，差動母線可能是更好的選擇。這是因為差分信號固有地比單端信號更魯棒。另一種可以提高魯棒性的技術(shù)是消除總線上的干凈時鐘信號。此時，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行適當(dāng)?shù)亩私?。然而，由于它是異步的，并且總線上沒有專用時鐘信號，因此只需要兩根導(dǎo)線（圖2）就可以實現(xiàn)10Mb/s或更高的數(shù)據(jù)速率。作為一個總線，它支持多個連接，但每個連接必須終止并與電纜阻抗匹配。為了保持性能，每個設(shè)備應(yīng)以盡可能短的電纜長度連接到總線。

AMT21系列使用RS-485總線/協(xié)議，只需要兩個雙絞線連接和兩個電源連接。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、無奇偶校驗位和1位停止位。在這種配置中，六個最重要的位被用作地址，這意味著一個連接最多可以支持64個可單獨尋址的設(shè)備。兩個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，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)置零位的說明。


圖2:RS-485協(xié)議支持單個雙絞線上的多個設(shè)備

SSI總線

在標(biāo)準(zhǔn)配置中，SSI總線可以被視為RS-485總線的擴展。沿著數(shù)據(jù)差分對，將差分對添加到時鐘信號傳輸。這意味著標(biāo)準(zhǔn)SSI接口對時鐘和數(shù)據(jù)使用兩個差分對或四個連接。CUI Devices在這種設(shè)計上開發(fā)了一個變體，去掉了差速器，但增加了芯片拾取引腳。這將每個端口的引腳數(shù)從4個減少到3個，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

自動化的使用只會增加。絕對式編碼器設(shè)計為與電機一起使用，以在自動化應(yīng)用中實現(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)，可以同時使用上述三種通信協(xié)議。因為每種協(xié)議都有其自身的特點和優(yōu)勢，所以在為應(yīng)用程序選擇最佳技術(shù)時，它給了工程師更多的設(shè)計自由。

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