基于FPGA的EnDat接口編碼器數(shù)據(jù)采集設(shè)計

EnDat接口是HEIDENHAIN專為編碼器設(shè)計的數(shù)字式、全雙工同步串行的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，具有傳輸速度快、功能強大、連線簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點，是編碼器、光柵尺數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌?。本文闡述了EnDat接口的特點、功能、時序和數(shù)據(jù)傳輸、OEM數(shù)據(jù)存儲，同時介紹了編碼器數(shù)據(jù)采集后續(xù)電路設(shè)計方案、基于FPGA模塊設(shè)計的原理和原則。

一概述

絕對式編碼器利用自然二進制、循環(huán)二進制（格雷碼）或PRC碼對碼盤上的物理刻線進行光電轉(zhuǎn)換，將連接軸的轉(zhuǎn)動角度量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖序列并以數(shù)字量輸出。它具有體積小、精度高、接口數(shù)字化及絕對定位等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于雷達、轉(zhuǎn)臺、機器人、數(shù)控機床和高精度伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。絕對式編碼器的數(shù)據(jù)輸出以同步串行輸出為主，EnDat接口是海德漢專為編碼器設(shè)計的數(shù)字式、全雙工同步串行接口。它不僅能為增量式和絕對式編碼器傳輸位置值，同時也夠傳輸或更新存儲在編碼器中的信息，或保存新的信息。由于使用了串行傳輸方式，所以只需四條信號線，在后續(xù)電子設(shè)備的時鐘激勵下，數(shù)據(jù)信息被同步傳輸。數(shù)據(jù)類型（位置值、參數(shù)、診斷信息等）由后續(xù)電子設(shè)備發(fā)送給編碼器的模式指令選擇決定。

二EnDat接口介紹

1.EnDat接口的特點

★高性能低成本：通用的接口適用于所有的增量和絕對式編碼器，更經(jīng)濟的電能消耗，小的尺寸和緊湊的連接方式，快速系統(tǒng)配置，零點可根據(jù)偏置值浮動。

★更好的信號質(zhì)量：編碼器內(nèi)部特別的優(yōu)化提高了系統(tǒng)精度，為數(shù)控系統(tǒng)提供更好的輪廓精度。

★更好的實用性：自動系統(tǒng)配置功能；數(shù)字信號提高了系統(tǒng)的可靠性；監(jiān)控與診斷信息有利于系統(tǒng)的安全；冗余碼校驗有利于可靠的信號傳輸。

★提高了系統(tǒng)的安全性：兩個獨立的位置信息及錯誤信息位，數(shù)據(jù)的校驗和及應(yīng)答。

★適用于先進的技術(shù)發(fā)展：（高的分辨率、短的控制周期，最快16M時鐘，安全設(shè)計理念）適用于直接驅(qū)動技術(shù)。

圖1EnDat接口編碼器數(shù)據(jù)采集原理圖

2.EnDat2.2編碼器性能的提高

★傳輸位置值與附加信息可同時傳輸：附加信息的類型可通過存儲地址選擇碼選擇。

★編碼器數(shù)據(jù)存儲區(qū)域包括編碼器制造商參數(shù)、OEM廠商參數(shù)、運行參數(shù)、運行狀態(tài)，便于系統(tǒng)實現(xiàn)參數(shù)配置。

★EnDat2.2編碼器實現(xiàn)了全數(shù)字傳輸，增量信號的處理在編碼器內(nèi)部完成（內(nèi)置14Bit細分），提高了信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性，可實現(xiàn)更高的分辨率。

★監(jiān)控和診斷功能，報警條件包括：光源失效、信號幅值不足、位置計算錯誤、運行電壓太低或太高、電流消耗太大等；當(dāng)編碼器的一些極限值被接近或超過時提供警告信號。

★更寬的電壓范圍（3.6～14V）和傳輸速率（16M）。

3.時序和OEM數(shù)據(jù)存儲

在每一幀同步數(shù)據(jù)傳輸時一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送，傳輸循環(huán)從時鐘的第一個下降沿開始測量值被保存，計算位置值。在兩個時鐘脈沖（2T）后，后續(xù)電子設(shè)備發(fā)送模式指令“編碼器傳輸位置值”（帶或不帶附加信息）。

在計算出了絕對位置值后（tcal——-見圖2），從起始位開始編碼器向后續(xù)電子設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，后續(xù)的錯誤位F1和F2（只存在于EnDat2.2指令中）是為所有的監(jiān)控功能和故障監(jiān)控服務(wù)的群組信號，他們的生成相互獨立，用來表示可能導(dǎo)致不正確位置信息的編碼器故障。導(dǎo)致故障的確切原因保存在“運行狀態(tài)”存儲區(qū)，可以被后續(xù)電子設(shè)備查詢。

從最低位開始，絕對位置值被傳輸，數(shù)據(jù)的長度由使用的編碼器類型決定。傳輸位置值所需的時鐘脈沖數(shù)保存在編碼器制造商的參數(shù)中。位置值數(shù)據(jù)的傳輸以循環(huán)冗余檢測碼結(jié)束。

圖2無附加信息的位置值傳輸

位置值如果帶附加信息，緊接在位置值后的是附加信息1和2，他們也各以一個CRC結(jié)束。附加信息的內(nèi)容由存儲區(qū)的選擇地址決定，然后在后面的采樣周期里被傳輸。在后續(xù)的傳輸中一直傳輸該信息，直到新的存儲區(qū)被選擇。在數(shù)據(jù)字的結(jié)尾，時鐘信號必須置高電平。10us到30us或1.25us到3.75us（EnDat2.2可編程的恢復(fù)時間tm）后，數(shù)據(jù)線回到低電平，然后，新的數(shù)據(jù)傳輸可在新的時鐘信號下開始。

圖3帶附件信息的位置傳輸

同時，編碼器為參數(shù)提供了不同的存儲區(qū)，它們可以被后續(xù)電子設(shè)備讀取，這些區(qū)域可以被編碼器制造商、OEM廠商甚至最終用戶寫入。一些特定的區(qū)域是可以被寫保護的。不同系列的編碼器支持不同的OEM存儲區(qū)和不同的地址范圍。因此，每一個編碼器必須讀取OEM存儲區(qū)的分配信息?；诖嗽颍罄m(xù)電子電路應(yīng)基于相對地址編程，而不能使用絕對地址。

三EnDat接口后續(xù)電子設(shè)備的電路設(shè)計方案

使用者可以根據(jù)EnDat接口協(xié)議和電路電氣特性自行設(shè)計接口電路進行數(shù)據(jù)采集與處理，同時海德漢也提供了特定的數(shù)據(jù)處理芯片供用戶選擇。如果用戶自行設(shè)計電路，需遵循EnDat接口的電氣特性，并需要掌握EnDat接口的協(xié)議，保證嚴(yán)格遵循協(xié)議的時序要求和數(shù)據(jù)幀格式。而如果采用海德漢提供的數(shù)據(jù)處理芯片，則可以簡化設(shè)計，用戶只需配置FPGA的寄存器，按照芯片可接受的指令格式發(fā)送指令，就可獲得需要的數(shù)據(jù)。

通過遵循RS一485（差分信號）標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)元件，在后續(xù)電子設(shè)備發(fā)出的同步時鐘激勵下，數(shù)據(jù)（位置值和參數(shù)）可以在編碼器和后續(xù)電子設(shè)備之間雙向傳輸。

四FPGA+軟件宏

海德漢的合作伙伴MAZet公司針對Xilinx公司的Virtex和Spartan系列及Altera公司的Acex和Cyclone系列提供了EnDat協(xié)議的軟件宏，根據(jù)客戶需求，MAZet公司還可以提供定制軟核。該軟核實現(xiàn)了EnDat接口的所有功能，用戶可通過6位地址線和16位數(shù)據(jù)線與微控制器進行8位或16位的數(shù)據(jù)傳輸。下面是FPGA的模塊圖和電路設(shè)計。

圖4FPGA模塊圖

圖5編碼器和后續(xù)電路連接模塊圖

海德漢公司的EnDat接口在很多行業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在它又被提升到嶄新高度。雙向EnDat2.2接口的時鐘頻率現(xiàn)已提高到16MHz，能滿足直接驅(qū)動這類高動態(tài)性能要求的應(yīng)用，特別是電子工業(yè)的應(yīng)用，時鐘頻率從8MHz提高到16MHz不僅將大大縮短讀取位置信息所需時間，還可以大幅縮短控制環(huán)的周期。同時簡單、經(jīng)濟的系統(tǒng)設(shè)計為客戶提供了方便，強大的功能和通用性及具有前瞻的安全設(shè)計理念引導(dǎo)編碼控制技術(shù)不斷向前發(fā)展.