基于SPI讀取絕對值編碼器SSI信號的方法設(shè)計(jì)概述

梁昌鵬 陳天桂 李雪景

摘 要 SSI是絕對值角度編碼器最常見的輸出方式，基于單片機(jī)普遍沒有SSI接口，介紹一種單片機(jī)普遍都有的SPI讀取絕對值編碼器SSI輸出的方法，實(shí)現(xiàn)了輸出信號的角度轉(zhuǎn)換。文章從硬件和軟件兩方面給出了設(shè)計(jì)的思路和方法。

關(guān)鍵詞 SSI;SPI;絕對值編碼器

引言

相對增量式編碼器，絕對值編碼器具有分辨率高、絕對位置定位精度高和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，越來越多使用在工控上，其輸出信號方式有并行和串行輸出，由于絕對值編碼器分辨率少則十幾位的精度，所以絕對值編碼器常用串行輸出。而串行方式有很多輸出接口，如同步串行接口SSI、BiSS、CANopen等，其中SSI是絕對值編碼器最常用的串行方式。在工控系統(tǒng)中，絕對值編碼器SSI信號的正確讀取是非常重要的，而單片機(jī)一般沒有對應(yīng)的SSI接口，傳統(tǒng)的方法是用幾個(gè)IO口模擬SSI通信協(xié)議進(jìn)行讀取，但這會給軟件上增加成本。利用一般單片機(jī)集成的SPI，對SSI通信協(xié)議進(jìn)行模擬，可實(shí)時(shí)讀取輸出信號，減少了軟件上的成本。本文基于STM32系列MCU芯片為控制核心的基礎(chǔ)上，搭建電機(jī)測試平臺，用SPI模擬SSI接口協(xié)議，讀取絕對值編碼器角度信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)方案

以STM32系列MCU作為接收信號的芯片，基于SPI的絕對值編碼器SSI接口讀出方法的設(shè)計(jì)框圖如圖一。

SSI接口出來的是兩組422差分?jǐn)?shù)字信號，經(jīng)過一組邏輯電平轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成兩組可以讓STM32系列芯片識別的單端LVTLL信號，與芯片SPI接口的兩個(gè)端子MISO和SCK對接，通過軟件解析SPI接收到的SSI信號，從而完成對編碼器輸出信號的讀取工作。

1.2 基于SPI讀出SSI信號的工作原理

SSI是一種同步的、串行的數(shù)字傳輸，時(shí)鐘由作為主機(jī)的單片機(jī)發(fā)出，數(shù)據(jù)由作為從機(jī)的編碼器發(fā)出，配合時(shí)鐘同步響應(yīng)，通訊是單向的。SSI輸出的是二進(jìn)制碼，信息包括編碼器的位置值和狀態(tài)位等，其時(shí)序圖如圖2。

其中Clock為輸入時(shí)鐘;Data為編碼器輸出信號;T為一個(gè)時(shí)鐘信號的周期且0.1MHz≤1/T≤2MHz;Tm為數(shù)據(jù)中斷時(shí)間;Tp為時(shí)鐘脈沖高位時(shí)間;MSB為編碼器數(shù)據(jù)高位;LSB為編碼器數(shù)據(jù)低位。

SPI是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)，以及提供頻率可編程的時(shí)鐘SCK，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。SPI時(shí)序圖如圖3。

對比兩者的時(shí)序圖可以看出SPI通信協(xié)議中的四種時(shí)序模式需要配置成第一種時(shí)序模式，也就是CPOL=1以及CPHA=0的時(shí)序模式下才能與SSI接口對接，完成輸出信號的讀取工作[1]。

2 硬件的電路設(shè)計(jì)

SPI接口連接SSI接口所需要的邏輯電平轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖4。

其中DATO+、DATO-、CLKO+和CLKO-是SSI接口的兩組差分信號，SN65HVD50DR是一款全雙工RS485驅(qū)動器和接收器芯片，把濾波后的差分信號轉(zhuǎn)換成可以讓SPI接收的TTL信號SSI_DATA和SSI_CLK。R303和R311是用來消除差模干擾，保證穩(wěn)定性的[2]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 SPI模式的軟件設(shè)計(jì)

帶SPI接口的主控芯片選擇STM32系列的MCU，開發(fā)環(huán)境選擇keil MDK，使用C語言進(jìn)行軟件程序編程。由于SPI每一幀數(shù)據(jù)是8位或者16位的，需要根據(jù)絕對值編碼器的位數(shù)選擇合適的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行設(shè)置。由于只需要接收SSI的信號，可以配置SPI為單工只接收通信模式。設(shè)置SPI為主機(jī)模式，發(fā)送的時(shí)鐘脈沖頻率配置在SSI時(shí)鐘脈沖頻率范圍內(nèi)，并通過CPOL=1以及CPHA=0來設(shè)置SPI工作在第一種時(shí)序模式。由于SPI在第一個(gè)時(shí)鐘下降沿就開始采集信號，而SSI是第二個(gè)時(shí)鐘下降沿傳輸信號，所以從SPI接口中讀取的信號中要去除第一個(gè)信號，以第二個(gè)信號開始作為準(zhǔn)確的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

3.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于SPI讀出絕對值編碼器SSI信號的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是MCU的各種模塊的初始化。MCU模塊初始化是對各種寄存器進(jìn)行設(shè)置，包括各種定時(shí)器TIM的初始化。其中高級定時(shí)器TIM1的初始化可以設(shè)置PWM的死區(qū)互補(bǔ)，適合用來配置驅(qū)動器所需要的PWM波形，并根據(jù)SPI讀出的編碼器SSI信息所代表的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置來配置PWM的輸出模式，從而實(shí)時(shí)改變MOSFET的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 系統(tǒng)測試

絕對值編碼器安裝在永磁同步電機(jī)軸上為控制系統(tǒng)提供電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，選擇分辨率為12位的，輸出的數(shù)據(jù)信號時(shí)序圖如圖5，由STM32系列的MCU通過SPI采集后的信號如圖6，可以看出信號讀取的準(zhǔn)確性。筆者以基于SPI讀出編碼器SSI信號的STM32系列MCU作為控制系統(tǒng)的主控芯片，進(jìn)行電機(jī)的位置測試，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過測試表明，SPI讀取到的編碼器SSI角度信號準(zhǔn)確地反映了電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。

5 結(jié)束語

本文從硬件和軟件兩方面設(shè)計(jì)闡述了基于SPI的絕對值編碼器SSI接口的信號讀出方法，相比于IO口模擬SSI協(xié)議的方法節(jié)約了CPU的資源，基于此讀出方法的伺服驅(qū)動系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了與永磁同步電機(jī)的匹配調(diào)試。

參考文獻(xiàn)

[1] STM32F10XXX Users manual[M]. STMicroelectronics，2009：1-548.

[2] 陳志同.基于SSI協(xié)議的絕對值編碼器通信接口研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2014.