基于FPGA和絕對式長度計(jì)的EnDat2.2通信接口設(shè)計(jì)

劉塔拉 賈建祿 吳慶林

摘要 EnDa t2.2是一種通信協(xié)議，多用于各類編碼器數(shù)據(jù)接口。本文通過分析EnDat 2.2工作原理和通信時(shí)序，設(shè)計(jì)了基于FPGA的絕對式長度計(jì)AT1218信號采集電路，并給出了該電路硬件電路組成、模塊設(shè)計(jì)和軟件流程。同時(shí)，通過系統(tǒng)級聯(lián)進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明該系統(tǒng)可以正確又穩(wěn)定地采集位置信息，采集頻率達(dá)到lkHz。

【關(guān)鍵詞】FPGA EnDat2.2 絕對式長度計(jì)

1 引言

具有高精度、可靠性好和檢測速度快等特點(diǎn)的長度計(jì)被廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域及檢測機(jī)構(gòu)。如今市場上主流的長度計(jì)都基于高精度光柵尺，采用數(shù)字化接口傳輸。按測量方式，長度計(jì)分為增量式長度計(jì)和絕對式長度計(jì)。相比于增量式長度計(jì)，絕對式長度計(jì)不僅可以測量微小位移，還有絕對定位和掉電不丟失等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的應(yīng)用在長度測量領(lǐng)域。海德漢（HEIDENHAIN）公司ACANTO系列絕對式長度計(jì)測量精度高、測量范圍大、堅(jiān)固耐用，被廣泛應(yīng)用于高精度測量領(lǐng)域。由于測量分辨率高，絕對式長度計(jì)通常采用串行傳輸數(shù)據(jù)接口。在數(shù)字通信方面，海德漢公司推出了EnDat2.2串行通信接口，是一種適用于ACANTO系列絕對式長度計(jì)的雙向數(shù)字接口，可以快速并高可靠性的傳輸長度計(jì)的位置值。ACANTO系列絕對式長度計(jì)配備了專用的采集卡，可以將串行的EnDat2.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)以便于用戶使用，但該采集卡價(jià)格昂貴并適用范圍小。所以通過分析長度計(jì)和Endat2.2接口，設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的信號采集電路，可以提高長度檢測系統(tǒng)的便捷性和適用性。

2 EnDat2.2通信協(xié)-議

海德漢公司的EnDat2.2通信協(xié)議適用于海德漢公司編碼器，是一種半雙工同步串行接口。通過EnDat2.2通信接口，不僅可以完成傳輸指令接收位置信息，還可以傳輸和保存編碼器中保存的信息。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA信號采集電路與長度計(jì)以EnDat2.2通信接口連接，通過問答的通信方式獲得長度計(jì)位置值和附加信息。EnDat2.2通信接口除了需要提供電源和地以外，只需要兩組差分信號線。一組差分信號線傳輸時(shí)鐘信號，是從信號采集電路提供給長度計(jì)的同步信號，最高頻率可以達(dá)到16MHz。另一組差分信號線傳輸數(shù)據(jù)信號，屬于半雙工數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)信號采集周期中，信號采集電路給長度計(jì)發(fā)送指令，長度計(jì)根據(jù)指令計(jì)算完后數(shù)據(jù)后向信號采集電路發(fā)送位置值以及指定的附加信號。EnDat2.2常用時(shí)序圖如圖1所示。

空閑狀態(tài)下時(shí)鐘信號線被拉高，數(shù)據(jù)信號線被拉低。從時(shí)鐘信號下降沿開始進(jìn)入一個(gè)采集周期，此時(shí)長度計(jì)保存測量值并開始計(jì)算位置值。兩個(gè)時(shí)鐘周期以后，信號采集電路開始發(fā)送6位模式指令。模式指令可以讓長度計(jì)發(fā)送位置值，并可以選擇附加信息類型。模式指令發(fā)送完畢，數(shù)據(jù)信號線改為接收狀態(tài)。在長度計(jì)計(jì)算完成后，由起始位S開始向解碼電路發(fā)送信息。起始位后會有兩個(gè)錯(cuò)誤位Fl和F2，是檢測故障的信號。兩個(gè)錯(cuò)誤位獨(dú)立生成，發(fā)生故障的詳細(xì)原因會保存在工作狀態(tài)存儲區(qū)內(nèi)。隨后長度計(jì)發(fā)送位置值，順序是從最低位LSB到最高位MSB，位置值長度由長度計(jì)決定。每一段數(shù)據(jù)均由循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC結(jié)尾，用于檢測數(shù)據(jù)在傳輸或者保存過程中可能發(fā)生誤碼或者串碼。隨后長度計(jì)將發(fā)送附加信息2和附加信息l。附加信息內(nèi)容可以通過模式指令001001來選擇和確定。數(shù)據(jù)信息傳輸完畢，時(shí)鐘信號置高電平，數(shù)據(jù)信號經(jīng)過一段恢復(fù)時(shí)間后恢復(fù)低電平。恢復(fù)時(shí)間與時(shí)鐘頻率有關(guān)，時(shí)鐘頻率大于1MHz時(shí)，恢復(fù)時(shí)間為1.25-3.75微秒。如果時(shí)鐘頻率小于1MHz，恢復(fù)時(shí)間在10-30微秒范圍內(nèi)。

3 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件組成如圖2所示，主要由信號采集電路和長度計(jì)構(gòu)成。信號采集電路主要由FPGA、晶振、復(fù)位電路、供電電路和串口收發(fā)模塊組成。FPGA模塊作為主要控制器，負(fù)責(zé)時(shí)序控制、指令輸出、接收數(shù)據(jù)和解碼等功能。串口收發(fā)模塊MAX3485和MAX3490負(fù)責(zé)FPGA引腳TTL電平與串口通信需要的RS485電平和RS422電平之間的轉(zhuǎn)換。

長度計(jì)采用的是海德漢ACANTO系列AT1218，是支持EnDat2.2通信協(xié)議的絕對式長度計(jì)，防護(hù)安全級別達(dá)到IP67。AT1218以188.4μm柵距玻璃DIADUR光柵為測量基準(zhǔn)，測量分辨率為23nm，總測量范圍為12mm，系統(tǒng)精度達(dá)到1μm。

4 FPGA數(shù)據(jù)讀取原理和模塊設(shè)計(jì)

在通過EnDat2.2接口讀取長度計(jì)數(shù)據(jù)的過程中，F(xiàn)PGA內(nèi)部工作的原理如圖3所示。按功能分類，F(xiàn)PGA模塊可分為發(fā)送模塊、接收模塊、控制模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊以及配置寄存器組成。配置寄存器負(fù)責(zé)保存信號采集電路運(yùn)行順序和工作參數(shù)，主要包括信號采樣頻率、信號預(yù)處理內(nèi)容、波特率、EnDat2.2時(shí)鐘頻率和附加信息內(nèi)容等。控制模塊通過讀取配置寄存器的內(nèi)容配置各個(gè)功能模塊，并負(fù)責(zé)EnDat2.2接口的時(shí)鐘信號和收發(fā)信號順序。時(shí)鐘模塊的功能是將系統(tǒng)時(shí)鐘通過分頻產(chǎn)生EnDat2.2接口需要的時(shí)鐘信號。發(fā)送模塊1和接收模塊1分別負(fù)責(zé)EnDat2.2通信協(xié)議的模式指令發(fā)送和長度計(jì)數(shù)據(jù)的接收。接收的長度計(jì)串行數(shù)據(jù)需要經(jīng)過CRC校驗(yàn)?zāi)K來驗(yàn)證EnDat2.2通信接口數(shù)據(jù)傳輸過程的完整性和正確性。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊可以將長度計(jì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的預(yù)處理，如計(jì)算位移、速度、加速度等數(shù)據(jù)。發(fā)送模塊2和接收模塊2負(fù)責(zé)給主控系統(tǒng)發(fā)送計(jì)算結(jié)果和接收配置參數(shù)。

在信號采集過程中，需要各功能模塊協(xié)同工作。在剛初始化時(shí)，控制模塊通過讀取配置寄存器來配置FPGA模塊，控制CLK信號線保持高電平，TX1信號保持低電平，收發(fā)控制信號DE為高電平，EnDat2.2接口處于發(fā)送狀態(tài)。當(dāng)開始一個(gè)讀取周期時(shí)，時(shí)鐘模塊開始產(chǎn)生CLK信號并發(fā)送。兩個(gè)時(shí)鐘周期后，控制模塊驅(qū)動發(fā)送模塊1產(chǎn)生并發(fā)送模式指令。指令發(fā)送完成再過兩個(gè)周期后，控制模塊切換DE的電平使EnDat2.2接口數(shù)據(jù)傳輸方向由發(fā)送轉(zhuǎn)為接收。此時(shí)接收模塊1準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，在檢測到一個(gè)高電平后開始接收并緩存數(shù)據(jù)。完成數(shù)據(jù)接收后時(shí)鐘模塊停止產(chǎn)生時(shí)鐘信號，CLK信號線拉高，DE變回低電平。接收的數(shù)據(jù)首先通過CRC校驗(yàn)檢驗(yàn)EnDat2.2接口是否存在誤碼、串碼等情況。校驗(yàn)通過的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理計(jì)算，由發(fā)送模塊2發(fā)送到主控系統(tǒng)。

5 軟件主程序流程

信號采集電路內(nèi)部主程序運(yùn)行流程如圖4所示。電路上電后FPGA根據(jù)控制寄存器配置接口各個(gè)參數(shù)。配置信號采集頻率也會同時(shí)選定采集時(shí)鐘觸發(fā)和開始采集標(biāo)志寄存器。當(dāng)開始采集標(biāo)志位置1，開始一輪數(shù)據(jù)采集周期。FPGA給長度計(jì)發(fā)送模式指令并接收長度計(jì)計(jì)算的位置值。經(jīng)CRC校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)傳輸正確，預(yù)處理位置數(shù)據(jù)并將結(jié)果發(fā)送到主控。如果數(shù)據(jù)傳輸有誤，F(xiàn)PGA會往主控系統(tǒng)發(fā)送出錯(cuò)提示。CRC校驗(yàn)結(jié)束后，F(xiàn)PGA還需要通過檢測配置寄存器修改標(biāo)志位來判斷主控系統(tǒng)是否要求修改信號采集電路參數(shù)配置。如果修改標(biāo)志位為1，F(xiàn)PGA需要重新配置接口參數(shù)。如果修改標(biāo)志位為O則跳過重新配置步驟，直接等待下一個(gè)開始采集標(biāo)志。

6 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的功能和更好的觀察實(shí)際電路中信號的波形，對長度計(jì)和信號采集電路進(jìn)行了上電測試。上電后通過示波器觀察的FPGA在EnDat2.2接口端信號波形如圖5所示，其中圖5（a）為一個(gè)完整的信號采集周期，圖5（b）為信號采集循環(huán)過程。示波器顯示中1、2、3端口信號分別對應(yīng)時(shí)鐘信號、模式指令和位置數(shù)據(jù)。為了提高接口穩(wěn)定性，時(shí)鐘信號頻率采用了460kHz。從圖5中可以看到，F(xiàn)PGA時(shí)鐘輸出穩(wěn)定，長度計(jì)接收到指令信號后反饋的長度數(shù)據(jù)正確，接口工作穩(wěn)定，可以達(dá)到lkHz采樣頻率，滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)束語

在測量領(lǐng)域應(yīng)用中，高精度、數(shù)字化的絕對式長度計(jì)越來越受廣泛的應(yīng)用。在本文中設(shè)計(jì)了基于FPGA的EnDat2.2接口絕對式長度計(jì)信號采集電路。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路可以滿足設(shè)計(jì)要求，正確、穩(wěn)定、快速的采集長度計(jì)數(shù)據(jù)。與專用采集卡相比，本文電路實(shí)現(xiàn)了成本低、體積小、集成度高、易操作等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)通過主控配置參數(shù)，此電路可以適配不同種類不同位數(shù)的測量器件，有非常廣泛的適用性。

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