用SSI協(xié)議是如何實(shí)現(xiàn)的絕對值編碼器？

近年來，編碼器得到了廣泛的應(yīng)用，主要用于工業(yè)控制系統(tǒng)，如電機(jī)速度測量、機(jī)床位置測量、起重機(jī)爬升距離測量等。與此同時(shí)，編碼器在市場上的規(guī)模越來越大，工業(yè)需求也在增長。在未來幾十年，編碼器行業(yè)將達(dá)到快速發(fā)展的階段，更多的編碼器制造商將參與這場革命的競爭。

編碼器是一種將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信號(hào)形式的設(shè)備，可用于通信、傳輸和存儲(chǔ)。編碼器的原理是將這些物理位移轉(zhuǎn)換為已知的電信號(hào)。根據(jù)工作類型的不同，編碼器可分為兩類：增量編碼器和絕對編碼器。增量編碼器主要用于精度要求較低的儀器。絕對編碼器通常用于具有高精度要求的行業(yè)，如設(shè)備制造和電子產(chǎn)品。由于絕對編碼器具有啟動(dòng)速度快、數(shù)字編碼和位置獨(dú)特的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)。隨著儀器儀表的日益智能化，人們對低功耗、高質(zhì)量、小尺寸的旋轉(zhuǎn)編碼器提出了要求。他們希望在絕對編碼器領(lǐng)域有更多類型的輸出方法，以便越來越多的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化。

在早期，絕對編碼器的輸出大多使用并行輸出方法。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，絕對編碼器的輸出方式越來越多樣化，如RS-485、PROFIBUS DP、CAN、DeviceNet等現(xiàn)場總線輸出方式，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出方式和SSI協(xié)議同步串行輸出方式。這些輸出方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。并聯(lián)輸出適用于短距離傳輸，價(jià)格相對較低；現(xiàn)場總線電源通常適用于大型工業(yè)領(lǐng)域，但相對昂貴；然而，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換和輸出方法的使用目前相對有限。與這些輸出方法相比，SSI串行輸出方法具有抗干擾性強(qiáng)、布線少等優(yōu)點(diǎn)，在市場上得到了廣泛的應(yīng)用。

增量編碼器的工作原理

增量編碼器的工作原理是首先將位移轉(zhuǎn)換為周期性電信號(hào)，然后將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖。通過這種轉(zhuǎn)換，可以測量脈沖輸出的高度的位移。如圖所示，相位A相位B顯示正向旋轉(zhuǎn)，反之亦然。增量編碼器主要依靠計(jì)數(shù)來記住它們的位置，但當(dāng)編碼器稍微移動(dòng)時(shí)編碼器突然關(guān)閉時(shí)，當(dāng)有另一個(gè)當(dāng)前調(diào)用時(shí)，內(nèi)存的零點(diǎn)會(huì)移動(dòng)，導(dǎo)致不準(zhǔn)確和內(nèi)存丟失。我們需要添加一個(gè)參考點(diǎn)，即Z相位，并使用該參考位置來解決這些問題。然而，這種類型的編碼器必須首先為每個(gè)具有較差抗擾度和零點(diǎn)累積誤差的操作找到參考點(diǎn)。如果使用絕對編碼器，則可以解決這些問題。

絕對值編碼器的工作原理

絕對編碼器的碼盤包含許多光通量線，這些光通量線按2行、4行、8行、16行的順序排列。。。已訂購。這些標(biāo)線片有兩個(gè)側(cè)面，即負(fù)極和正極。通過讀取每個(gè)標(biāo)線片的通邊和暗邊，可以獲得一組20~2n-1的唯一二進(jìn)制碼（格雷碼），這就是n位絕對值生成器。每個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)特定的數(shù)字，這個(gè)數(shù)字是絕對唯一的，只指開始和結(jié)束，與任何中間過程都無關(guān)。在突然停電和重新啟動(dòng)的情況下，參考點(diǎn)和零點(diǎn)以及脈沖數(shù)量都不需要像增量編碼器一樣重新記錄。每當(dāng)你想知道這個(gè)地方在哪里，你都可以閱讀。這個(gè)編碼器的數(shù)據(jù)可靠，不容易受到外部因素的影響。

什么是SSI協(xié)議？

絕對編碼器主要將待測量的位置信息發(fā)送到主控制器，然后通過主控制器發(fā)送控制信號(hào)。以前的絕對編碼器大多使用并行輸出，這可以應(yīng)用于低位計(jì)數(shù)。一旦比特?cái)?shù)量增加，并行輸出就不再適用，因?yàn)榭偸谴嬖诓粶?zhǔn)確的數(shù)據(jù)、故障等。例如，在傳輸過程中，數(shù)據(jù)電纜的任何問題都可能影響最終傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而影響絕對編碼器的正常操作。因此，根據(jù)實(shí)際情況，SSI協(xié)議的輸出方法更為合適。它采用串行輸出而不是并行輸出，利用差分模式提高了傳輸過程中數(shù)據(jù)的可靠性，并顯著提高了抗干擾能力。同時(shí)，通信雙方使用相同的波特率來準(zhǔn)確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。



SSI協(xié)議的通信模式如圖所示。它采用主動(dòng)讀接收方式，包括同步時(shí)鐘信號(hào)clock和數(shù)據(jù)信號(hào)data，其中同步時(shí)鐘的頻率決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取Ｔ诠I(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域中，基于實(shí)際傳輸距離來選擇期望的頻率。在同步時(shí)鐘信號(hào)的控制下，從最高位（MSB）開始傳輸。在時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)下降沿，要發(fā)送的數(shù)據(jù)在Tp周期期間被存儲(chǔ)，然后在時(shí)鐘信號(hào)每個(gè)上升沿被發(fā)送，直到所有數(shù)據(jù)被發(fā)送。然后將數(shù)據(jù)輸出端拖動(dòng)到低電平，延長Tm時(shí)間，然后將數(shù)據(jù)輸入端拖動(dòng)到高電平，準(zhǔn)備等待下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)并繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。如果沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，則時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)端子都應(yīng)保持高電平。圖2 SSI通信協(xié)議

發(fā)送數(shù)據(jù)所需的位數(shù)決定了要發(fā)送的同步時(shí)鐘的數(shù)量。圖2中的參數(shù)定義如下：T是時(shí)鐘頻率，Tp是數(shù)據(jù)之間的傳輸間隔，Tm是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)時(shí)間，n是傳輸位，MSB是最高有效位，LSB是最低有效位。

采用SSI接口的絕對值編碼器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

主控制器可以在51芯片微控制器、RAM微處理器和CPLD邏輯器件之間進(jìn)行選擇。微控制器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，但運(yùn)行速度慢，處理速度有限，抗干擾能力不是很強(qiáng)；RAM微處理器具有強(qiáng)大的功能，但其開發(fā)周期長，價(jià)格昂貴。為了實(shí)現(xiàn)高速傳輸，采用CPLD設(shè)計(jì)相對靈活，處理速度快，抗干擾能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)時(shí)需要大量的時(shí)序和邏輯運(yùn)算。

硬件設(shè)計(jì)

SSI電路的輸入和輸出采用差分模式，如圖所示。有四條信號(hào)線：CLK+、CLK-DATA+和DATA-，其中CLK+和CLK點(diǎn)是時(shí)鐘輸入，DATA+和DATA點(diǎn)是數(shù)據(jù)輸出。時(shí)鐘輸入端通過光耦接收，數(shù)據(jù)端通過422輸出芯片輸出。 SSI電路設(shè)計(jì)框圖



軟件設(shè)計(jì)

對于軟件部分的設(shè)計(jì)，SSI協(xié)議的實(shí)現(xiàn)有兩種方法：一種方法是使用微控制器模擬SSI通信，另一種方法則是使用CPLD實(shí)現(xiàn)SSI通信。微控制器仿真的關(guān)鍵技術(shù)主要包括兩個(gè)方面：同步時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)確獲取和數(shù)據(jù)起始位的準(zhǔn)確確定。顯然，這需要輸入和輸出端口，以及一個(gè)定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。在輸入端口捕獲手表的上升脈沖，當(dāng)計(jì)時(shí)器碰到手表的第一個(gè)下降脈沖時(shí)，計(jì)時(shí)器開始工作。在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，必須重置計(jì)時(shí)器才能重新開始計(jì)數(shù)。軟件流程圖如圖所示。



使用微控制器模擬SSI通信具有相對簡單的結(jié)構(gòu)，但通信速度有限。為了實(shí)現(xiàn)高速通信，必須使用CPLD。

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