一種絕對(duì)式光電編碼器的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

何英武，莫元?jiǎng)?，韋 鳳

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東廣州 510530）

一種絕對(duì)式光電編碼器的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

何英武，莫元?jiǎng)牛f 鳳

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東廣州 510530）

編碼器是現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備快速發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，提出一種新的絕對(duì)式光電編碼器通信協(xié)議設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)主要介紹了在三個(gè)基本工作模式下的數(shù)據(jù)傳輸格式，以及各數(shù)據(jù)幀的具體格式；同時(shí)，還對(duì)各模式的運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算；最后，將該通信協(xié)議應(yīng)用到國(guó)產(chǎn)編碼器中，能完全實(shí)現(xiàn)最初設(shè)計(jì)功能。設(shè)計(jì)的編碼器通信協(xié)議具備傳輸速度較快、電氣連接結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單以及較高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類編碼器中。

編碼器；通信協(xié)議；數(shù)據(jù)幀格式；時(shí)序

1 概述

隨著精密數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等現(xiàn)代化工業(yè)化設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求，高速、高精度是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向，而編碼器作為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最常用的位置檢測(cè)環(huán)節(jié)，毫無(wú)疑問(wèn)是提高其速度、精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器[1]，它具有體積小、分辨度高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是目前伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最多的傳感器。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值，沒(méi)有累積誤差，電源切除后位置信息不會(huì)丟失，它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)，因此，絕對(duì)式光電編碼器更適合應(yīng)用于高速、高精度的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文將以絕對(duì)式光電編碼器為對(duì)象，對(duì)其通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 絕對(duì)式光電編碼器構(gòu)成及原理

絕對(duì)式光電編碼器[2]是直接輸出數(shù)字量的傳感器，它是由光電碼盤和光電檢測(cè)裝置組成，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，工作時(shí)，碼盤的一側(cè)放置光源，另一側(cè)放置光電接收裝置[3]，如圖1所示。

由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，光電元件接收光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)[4]。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，理論上其碼盤必須有N條碼道。

圖1 光電編碼器原理示意圖

3 絕對(duì)式編碼器通信協(xié)議設(shè)計(jì)

所謂編碼器通信協(xié)議，是指編碼器與后續(xù)電子設(shè)備之間的通信，這里的后續(xù)電子設(shè)備可以是單片機(jī)、CPLD/FPGA、DSP、ARM或ASIC等大家熟知的電子器件[1]。在研究了國(guó)際上現(xiàn)有的多種通信協(xié)議后，認(rèn)為多摩川公司的通信協(xié)議具有電氣連線簡(jiǎn)單、通信可靠等特點(diǎn)，因此，本文在多摩川編碼器通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出一種新的絕對(duì)式編碼器通信協(xié)議設(shè)計(jì)，該通信協(xié)議的設(shè)計(jì)包含但不僅限于多摩川通信協(xié)議，下面將從電氣連接和通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀兩方面進(jìn)行介紹。

3.1 電氣連接

絕對(duì)式光電編碼器的電氣連接如圖2所示。兩根數(shù)據(jù)線采用RS-485接口，通過(guò)一塊RS-485驅(qū)動(dòng)芯片與后續(xù)電子設(shè)備通信，驅(qū)動(dòng)芯片有一個(gè)發(fā)送器和接收器。后續(xù)電子設(shè)備通過(guò)切換驅(qū)動(dòng)芯片的工作狀態(tài)，向編碼器發(fā)送數(shù)據(jù)，或者接收編碼器發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.2 通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀

后續(xù)電子設(shè)備與編碼器通信采取“一問(wèn)一答”[5]的方式，由后續(xù)電子設(shè)備向編碼器發(fā)送相應(yīng)的控制指令，編碼器根據(jù)接收到的不同控制指令反饋不同的數(shù)據(jù)，本文介紹的通信協(xié)議主要包括三種模式：（1）讀取編碼器信息模式；（2）讀取編碼器內(nèi)EEPROM模式；（3）寫入編碼器內(nèi)EEPROM模式。

3.2.1 通信協(xié)議模式

（1）讀取編碼器信息模式

讀取編碼器信息模式如圖3所示，由后續(xù)電子設(shè)備向編碼器發(fā)送“讀取編碼器信息”控制指令，編碼器接收到該控制指令，立即鎖定當(dāng)前的數(shù)據(jù)值，并按照設(shè)定的算法進(jìn)行運(yùn)算和校驗(yàn)，最終經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)值由編碼器反饋至后續(xù)電子設(shè)備。讀取編碼器信息模式是編碼器最主要的工作模式。

后續(xù)電子設(shè)備向編碼器發(fā)送控制幀KZ，編碼器根據(jù)該控制幀KZ的要求，輸出控制幀KZ、狀態(tài)幀ZT、數(shù)據(jù)幀SJn和數(shù)據(jù)校驗(yàn)幀CRC。其中使用數(shù)據(jù)幀SJn的個(gè)數(shù)要根據(jù)發(fā)出的控制指令要求決定，本設(shè)計(jì)中n=4～10。

圖2 電氣連接圖

圖3 讀取編碼器信息數(shù)據(jù)幀格式圖

（2）讀取編碼器內(nèi)EEPROM模式

讀取編碼器內(nèi)EEPROM模式如圖4所示，由后續(xù)電子設(shè)備向編碼器發(fā)送“讀取編碼器內(nèi)EE?PROM”指令，讀取編碼器內(nèi)EEPROM指定地址上的數(shù)據(jù)，編碼器按該指令輸出數(shù)據(jù)。

圖4 讀取編碼器內(nèi)EEPROM數(shù)據(jù)幀格式圖

后續(xù)電子設(shè)備向編碼器發(fā)送控制幀KZ、地址幀DZ和數(shù)據(jù)校驗(yàn)幀CRC，其中控制幀KZ包含要求讀取EEPROM的控制指令，編碼器輸出控制幀KZ、地址幀DZ、數(shù)據(jù)幀ESJ和數(shù)據(jù)校驗(yàn)幀CRC。

（3）寫入編碼器內(nèi)EEPROM模式

寫入編碼器內(nèi)EEPROM模式如圖5所示，由后續(xù)電子設(shè)備向編碼器發(fā)送“寫入編碼器內(nèi)EE? PROM”指令，將相應(yīng)數(shù)據(jù)寫入編碼器內(nèi)EE?PROM的指定位置上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器內(nèi)EE?PROM的數(shù)據(jù)變更。

圖5 寫入編碼器內(nèi)EEPROM數(shù)據(jù)幀格式圖

后續(xù)電子設(shè)備向編碼器發(fā)送控制幀KZ、地址幀DZ、數(shù)據(jù)幀ESJ和數(shù)據(jù)校驗(yàn)幀CRC，其中控制幀KZ包含要求寫入EEPROM的控制指令，將數(shù)據(jù)幀ESJ的數(shù)據(jù)寫入地址幀DZ指定的位置，編碼器根據(jù)指令相應(yīng)輸出控制幀KZ、地址幀DZ、數(shù)據(jù)幀ESJ和數(shù)據(jù)校驗(yàn)幀CRC。

3.2.2 各數(shù)據(jù)幀格式

在本設(shè)計(jì)中，各數(shù)據(jù)幀的位數(shù)不是固定的，根據(jù)具體的功能來(lái)設(shè)定，同時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)幀以“0”為起始位，“1”為結(jié)束位，起始位和終止位并不代表編碼信息內(nèi)容。

（1）控制幀KZ

控制幀KZ的格式如圖6所示，控制幀包含相應(yīng)的控制命令，用來(lái)控制編碼器的工作狀態(tài)。傳輸過(guò)程中沒(méi)有時(shí)鐘同步，同步碼用來(lái)同步傳輸，在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)線拉高為高電平，當(dāng)編碼器或電子設(shè)備端檢測(cè)到低電平時(shí)，即認(rèn)為檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀，通信速率可變化，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，可設(shè)置高低不同的通信速率，一般設(shè)置在2 Mbit/s～10 Mbit/s之間，在本文中通信速率默認(rèn)為5 Mbit/s；控制指令bit的個(gè)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際要求設(shè)定，本文設(shè)計(jì)的bit為4～8個(gè)，為便于計(jì)算，圖6表示4個(gè)bit的情況，另外還有一個(gè)控制命令校驗(yàn)位kjy，是對(duì)4個(gè)bit控制命令的奇偶校驗(yàn)，以保證信息發(fā)送可靠，控制指令具體內(nèi)容見表1。

（2）狀態(tài)幀ZT

狀態(tài)幀ZT格式如圖7所示。狀態(tài)幀包含了編碼器相應(yīng)的工作狀態(tài)。信息位bit個(gè)數(shù)可設(shè)為4～8個(gè)bit，為便于計(jì)算，圖7中表示4個(gè)bit位的格式情況。表2中列出部分具體的內(nèi)容定義；編碼錯(cuò)誤報(bào)警位cb0和cb1，通信報(bào)警位tb0和tb1，正常狀態(tài)置“0”，當(dāng)置“1”時(shí)表示的具體報(bào)警情況見表3。

圖6 控制幀格式

表1 控制指令功能表

圖7 狀態(tài)幀格式

表2 狀態(tài)信息表

表3 報(bào)警信息表

（3）數(shù)據(jù)幀SJn（DZ/ESJ）

數(shù)據(jù)幀格式如圖8所示。數(shù)據(jù)幀SJn中包含編碼信息，具體為單圈數(shù)據(jù)和多圈數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)位包含8個(gè)bit，由于編碼器單圈位數(shù)和多圈位數(shù)往往在十位以上，所以在表示多位單圈數(shù)據(jù)或多圈數(shù)據(jù)時(shí)，需要用幾個(gè)數(shù)據(jù)幀表示。例如當(dāng)一個(gè)絕對(duì)式光電編碼器的單圈位數(shù)為17位，故至少需3個(gè)數(shù)據(jù)幀表示單圈數(shù)據(jù)。

圖8 數(shù)據(jù)幀格式

編碼數(shù)據(jù)采用低位對(duì)齊的方式，即編碼信息由低位從第一個(gè)數(shù)據(jù)幀第一個(gè)數(shù)據(jù)位開始傳輸。數(shù)據(jù)幀多出編碼位數(shù)的數(shù)據(jù)位則置“0”。編碼器根據(jù)后續(xù)電子設(shè)備發(fā)送的控制幀中控制命令決定輸出數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，包括單圈數(shù)據(jù)，多圈數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)，最少輸出1個(gè)數(shù)據(jù)幀，最多輸出n個(gè)數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀設(shè)置與數(shù)據(jù)位信息見表4，另外，地址幀DZ和數(shù)據(jù)幀ESJ的格式與數(shù)據(jù)幀SJn相同。

表4 數(shù)據(jù)幀信息表

表4中：ABS0～ABS2表示單圈數(shù)據(jù)，其中，ABS0/ABS2表示在24個(gè)bit里的低位/高位數(shù)據(jù)，例如，表示一個(gè)絕對(duì)式光電編碼器的單圈位數(shù)為17位，ABS0和ABS1僅有16位數(shù)據(jù)，因此，ABS2第一個(gè)數(shù)據(jù)位要占用，其余高七位的數(shù)據(jù)置0。

ABM0～ABM2表示多圈數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀的應(yīng)用原理同上述單圈數(shù)據(jù)。

SJn中，n=4～10。

ESJ表示讀/寫EEPROM的數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)校驗(yàn)幀CRC

CRC幀具體格式如圖9所示，數(shù)據(jù)校驗(yàn)幀包含CRC校驗(yàn)碼，接收完數(shù)據(jù)時(shí)可通過(guò)CRC校驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。CRC校驗(yàn)幀的數(shù)據(jù)位為m個(gè)bit，m=8～16，為方便計(jì)算，圖9表示8個(gè)bit的數(shù)據(jù)情況，CRC編碼校驗(yàn)的計(jì)算公式可根據(jù)校驗(yàn)要求設(shè)定，本文初步設(shè)計(jì)的兩個(gè)計(jì)算公式為G(X)= Xm+Xm-5+1或G(X)=Xm+1。起始位和結(jié)束位不參與校驗(yàn)運(yùn)算。

圖9 校驗(yàn)幀格式

3.2.3 通信協(xié)議時(shí)序邏輯

本設(shè)計(jì)中編碼器在通信過(guò)程中無(wú)時(shí)鐘同步，傳輸速率默認(rèn)是5 Mbit/s，若有P個(gè)bit，則傳輸時(shí)間的計(jì)算式為：

t=200 ns/bit×p bit

例如，計(jì)算控制幀的傳輸時(shí)間（為便于計(jì)算，上述各數(shù)據(jù)幀的格式在圖中表示均為10個(gè)bit，本文的所有幀均以10 bit計(jì)算，但實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要改變各幀的格式長(zhǎng)度），控制幀為10 bit，則控制幀的傳輸時(shí)間為t=200 ns/bit×10 bit= 2 000 ns=2μs。另外，編碼器在接收后續(xù)電子設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)后，設(shè)定2～3μs后反饋輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)3.2.1所述的三種工作模式下的數(shù)據(jù)幀格式，推算出整個(gè)傳輸過(guò)程中的時(shí)序關(guān)系如圖10所示。

圖10 傳輸模式時(shí)序圖

4 通信協(xié)議實(shí)際應(yīng)用

采用本文介紹的通信協(xié)議設(shè)計(jì)，應(yīng)用到國(guó)產(chǎn)絕對(duì)式光電編碼器上，應(yīng)用設(shè)備實(shí)物見圖11，圖11中設(shè)備由一臺(tái)編碼器和后續(xù)電子設(shè)備組成。

圖11 應(yīng)用設(shè)備實(shí)物圖

按照上述三個(gè)工作模式的設(shè)計(jì)，進(jìn)行仿真測(cè)試，讀取編碼器信息波形如圖12，讀取編碼器內(nèi)EEPROM波形如圖13，寫入編碼器內(nèi)EEPROM波形如圖14。

圖12 讀取編碼器信息波形

圖13 讀取編碼器內(nèi)EEPROM波形

圖14 寫入編碼器內(nèi)EEPROM波形

通過(guò)與國(guó)產(chǎn)編碼器配合使用測(cè)試，證明用上述該通信協(xié)議，編碼器與后續(xù)電子設(shè)備能完全實(shí)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)的功能。即使是國(guó)家要求的三級(jí)/四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)脈沖群干擾和靜電干擾的環(huán)境，通過(guò)該協(xié)議進(jìn)行通信，仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)通信的正確，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定與可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的絕對(duì)式光電編碼器通信協(xié)議，采用的異步傳輸模式，通訊速率默認(rèn)為5 Mbit/s，傳輸速度較快；電氣連接結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易于技術(shù)人員的操作和檢查；通信模式的數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)格式內(nèi)部設(shè)置豐富，可根據(jù)實(shí)際要求調(diào)整數(shù)據(jù)幀格式長(zhǎng)度，適用于不同類型的編碼器；另外，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，證明了該通信協(xié)議傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。因此，本文設(shè)計(jì)的編碼器通信協(xié)議可廣泛應(yīng)用于各類編碼器，在工業(yè)化生產(chǎn)中發(fā)揮積極作用。

［1］彭雨.基于FPGA的絕對(duì)式光電編碼器通信接口研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

［2］蘇海冰，劉恩海.單圈絕對(duì)式編碼器的研制［J］.光學(xué)精密工程，2002（10）：74-78.

［3］田岳，和文國(guó)，李彥林，等.低成本的高分辨率磁編碼器的研制［J］.傳感器世界，1999（9）：7-11.

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［5］謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

A Communication Protocol Design of the Absolute Photoelectric Encoder

HE Ying-wu，MO Yuan-jin，WEI Feng
（GSK CNC Equipment Company Limited，Guangzhou510530，China）

Encoder is the important segment of the developing highly of the modernize industry equipment.A new communication protocol design of the absolute photoelectric encoder is proposed in this paper.The information transmission forms of the three basic working modes are introduced，the specific data forms of information are introduced too，then the timing requirement of the working modes are calculated，last，the prime design functions of the domestic encoder can be achieved completely by using the new communication protocol design.Information transferring quickly，structure of electrical connecting simply and working stability are the characteristics of the new communication protocol design which can be used in various encoders.

encoder;communication protocol;frame structure;timing requirement

TP212

A

1009－9492(2014)02－0046－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.014

何英武，男，1963年生，四川人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：數(shù)控系統(tǒng)以及數(shù)控機(jī)床相關(guān)設(shè)備。

(編輯：向 飛)

2013－08－31