絕對式編碼器通信協議指南

自動化不斷地革新著現代世界。它不僅涵蓋了工業自動化和工業4.0，還涵蓋了零售和消費領域，這是一個以物聯網為主導的世界，過去，物聯網用于自動化物理任務，但現在越來越多的是機電任務。

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載的高性價比電機尤其如此。您可能會驚訝于發動機仍然可以提供位置反饋？但這是真的：例如，汽車座椅可以根據用于打開和啟動車輛的鑰匙自動調整其位置。

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”。這種智能的關鍵是編碼器，通過它你可以知道并調整坐姿。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，在設計時通常安裝在電機軸外部。在這些應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編碼器，當物體經過光源前面時，該編碼器對光脈沖進行計數，或者當磁鐵經過霍爾效應開關時，對產生的脈沖進行計數。

一些編碼器，如CUI Devices的AMT系列絕對式編碼器，既具有光學編碼器的高分辨率，又具有磁性編碼器的魯棒性。它們是通過電容編碼實現的，使用兩塊板：一個發射器和一個接收器，由連接到轉子的第三塊板隔開。當中心板旋轉時，它會干擾發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，因此即使轉子板不運動，也可以檢測到其絕對位置。

常見的應用要求編碼器檢測電機的速度或根據轉數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閉后知道發動機位置的應用中很有用，例如當有人進入車輛時。

編碼器協議

無論檢測物理運動的方法如何，信息都必須傳輸到控制器。這是通過將原始脈沖轉換為傳輸協議的另一編碼層實現的。

物理連接影響協議的選擇及其功能。通常，協議要么是同步的，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用中，如工業電機控制。然而，這提出了一個問題，即哪種協議最適合特定的應用。幸運的是，AMT系列包括提供上述三種協議的型號。因此，我們還可以仔細研究每一個協議，并充分了解其相關屬性，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備和從設備，因此所有協議也支持全雙工操作。由于所有的數據交換都是通過時鐘信號來協調的，所以主設備和從設備可以進行通信，而無需首先協商諸如數據速率或消息長度之類的參數。每個從設備都有一個芯片選擇引腳（圖1），允許主設備隨時控制與哪個設備通信。

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。這意味著當主設備發出請求時，編碼器只能在1500ns內響應其當前位置。SPI協議的布線配置也非常簡單：每個設備都有一個主輸出、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協議為時鐘和數據使用公共連接，而芯片選擇使用私有連接

作為單端總線，當使用高速時鐘時，SPI協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協議具有高度通用性，適用于各種應用。

RS-485總線

如果應用距離超過一米或環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是消除總線上的干凈時鐘信號。此時，RS-485總線和相關協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的端接。然而，由于它是異步的，并且總線上沒有專用時鐘信號，因此只需要兩根導線（圖2）就可以實現10Mb/s或更高的數據速率。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，每個設備應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，所以所有設備都必須注意協議的配置模式。默認情況下，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個可單獨尋址的設備。兩個最低有效位用于指令。當接收到提供位置數據的命令時，AMT21系列可以在三微秒內做出響應。此外，還有重置編碼器和設置零位的說明。


圖2:RS-485協議支持單個雙絞線上的多個設備

SSI總線

在標準配置中，SSI總線可以被視為RS-485總線的擴展。沿著數據差分對，將差分對添加到時鐘信號傳輸。這意味著標準SSI接口對時鐘和數據使用兩個差分對或四個連接。CUI Devices在這種設計上開發了一個變體，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，可以如圖3所示進行配置。


圖3：此SSI變體需要更少的導線，但支持剪輯選擇

后記

自動化的使用只會增加。絕對式編碼器設計為與電機一起使用，以在自動化應用中實現更好的控制。CUI Devices在其AMT系列中開發并使用了容量編碼技術，可以同時使用上述三種通信協議。因為每種協議都有其自身的特點和優勢，所以在為應用程序選擇最佳技術時，它給了工程師更多的設計自由。

了解更多編碼器相關知識，敬請關注西安德伍拓自動化傳動系統有限公司網站。公司技術團隊為您免費提供編碼器的選型、安裝、調試、保養等技術指導服務，盡量避免企業因為編碼器技術人員的短缺帶來的損失，采取“線上+線下”服務的服務形式，幫助企業解決技術難題。