绝对编码器通信协议指南

绝对式编码器通信协议指南

自动化不断地革新着现代世界。它不仅涵盖了工业自动化和工业4.0，还涵盖了零售和消费领域，这是一个以物联网为主导的世界，过去，物联网用于自动化物理任务，但现在越来越多的是机电任务。

一般来说，电机提供了一种控制物理世界的方式。然而，大多数电机相对简单，这意味着它们通常不提供位置反馈。这对于用于简单移动负载的高性价比电机尤其如此。您可能会惊讶于发动机仍然可以提供位置反馈？但这是真的：例如，汽车座椅可以根据用于打开和启动车辆的钥匙自动调整其位置。

这些基本电机之所以能做到这一点，是因为它们配备了必要的“智能”。这种智能的关键是编码器，通过它你可以知道并调整坐姿。虽然有些电机包括编码器，但不包括编码器的电机也可以使用外部编码器，在设计时通常安装在电机轴外部。在这些应用中可以使用多种类型的编码器，每个编码器都有自己的运动检测方法。这可以包括一个光学编码器，当物体经过光源前面时，该编码器对光脉冲进行计数，或者当磁铁经过霍尔效应开关时，对产生的脉冲进行计数。

一些编码器，如CUI Devices的AMT系列绝对式编码器，既具有光学编码器的高分辨率，又具有磁性编码器的鲁棒性。它们是通过电容编码实现的，使用两块板：一个发射器和一个接收器，由连接到转子的第三块板隔开。当中心板旋转时，它会干扰发射器和接收器之间的电容线路信号。由于故障不取决于运动，因此即使转子板不运动，也可以检测到其绝对位置。

常见的应用要求编码器检测电机的速度或根据转数解释电机移动物体的位置。还可能需要识别行驶方向。报告位置的方式也各不相同。如上所述，绝对式编码器不依赖于知道先前的位置，因为它为转子的每个可量化位置提供了唯一的值。这在需要在打开和关闭后知道发动机位置的应用中很有用，例如当有人进入车辆时。

编码器协议

无论检测物理运动的方法如何，信息都必须传输到控制器。这是通过将原始脉冲转换为传输协议的另一编码层实现的。

物理连接影响协议的选择及其功能。通常，协议要么是同步的，即使用时钟棒，要么是异步的（无时钟棒）。此外，物理连接可以单独终止，或者为了进一步提高鲁棒性，也可以使用差分模式。涵盖这些选项的最常用协议是：串行外围接口（或SPI、单端、同步）、RS-485（或TIA/EIA-485、差分、异步）和同步串行接口（或SSI、差分和同步）。
选择协议时有很多考虑因素。它们最初提供了一定程度的互操作性，但也提高了通信信道的鲁棒性，特别是在具有高电噪声的应用中，如工业电机控制。然而，这提出了一个问题，即哪种协议最适合特定的应用。幸运的是，AMT系列包括提供上述三种协议的型号。因此，我们还可以仔细研究每一个协议，并充分了解其相关属性，以便做出决策。

SPI总线

作为同步总线，SPI总线上的连接是专用时钟信号（SCLK）。由于专用连接可用于主设备和从设备，因此所有协议也支持全双工操作。由于所有的数据交换都是通过时钟信号来协调的，所以主设备和从设备可以进行通信，而无需首先协商诸如数据速率或消息长度之类的参数。每个从设备都有一个芯片选择引脚（图1），允许主设备随时控制与哪个设备通信。

例如，AMT22系列有一个SPI编码器，可以配置为使用2-MHz工作时钟信号。这意味着当主设备发出请求时，编码器只能在1500ns内响应其当前位置。SPI协议的布线配置也非常简单：每个设备都有一个主输出、从输入（MOSI）和主输入、从输出（MISO）的专用连接。如图1所示，每个连接都是相互连接的，主单元为每个芯片选择引脚都有一个特殊的连接。


图1:SPI协议为时钟和数据使用公共连接，而芯片选择使用私有连接

作为单端总线，当使用高速时钟时，SPI协议非常适合在相对较短的距离上进行连接。如果时钟速度降低，则可以在保持信号完整性的同时延长距离。这使得SPI协议具有高度通用性，适用于各种应用。

RS-485总线

如果应用距离超过一米或环境中存在大量电气噪声，差动母线可能是更好的选择。这是因为差分信号固有地比单端信号更鲁棒。另一种可以提高鲁棒性的技术是消除总线上的干净时钟信号。此时，RS-485总线和相关协议可能是合适的选择。

RS-485接口采用双绞线。由于它是差分的，因此需要在电缆的两端进行适当的端接。然而，由于它是异步的，并且总线上没有专用时钟信号，因此只需要两根导线（图2）就可以实现10Mb/s或更高的数据速率。作为一个总线，它支持多个连接，但每个连接必须终止并与电缆阻抗匹配。为了保持性能，每个设备应以尽可能短的电缆长度连接到总线。

AMT21系列使用RS-485总线/协议，只需要两个双绞线连接和两个电源连接。由于它是异步的，所以所有设备都必须注意协议的配置模式。默认情况下，AMT21系列使用8N1，即8位、无奇偶校验位和1位停止位。在这种配置中，六个最重要的位被用作地址，这意味着一个连接最多可以支持64个可单独寻址的设备。两个最低有效位用于指令。当接收到提供位置数据的命令时，AMT21系列可以在三微秒内做出响应。此外，还有重置编码器和设置零位的说明。


图2:RS-485协议支持单个双绞线上的多个设备

SSI总线

在标准配置中，SSI总线可以被视为RS-485总线的扩展。沿着数据差分对，将差分对添加到时钟信号传输。这意味着标准SSI接口对时钟和数据使用两个差分对或四个连接。CUI Devices在这种设计上开发了一个变体，去掉了差速器，但增加了芯片拾取引脚。这将每个端口的引脚数从4个减少到3个，并增加了特殊芯片选择的便利性（图3）。

该变型与支持芯片选择的SSI控制器兼容，并提供类似于SPI的性能水平。CUI Devices的AMT23系列使用这种SSI变体技术，可以如图3所示进行配置。


图3：此SSI变体需要更少的导线，但支持剪辑选择

后记

自动化的使用只会增加。绝对式编码器设计为与电机一起使用，以在自动化应用中实现更好的控制。CUI Devices在其AMT系列中开发并使用了容量编码技术，可以同时使用上述三种通信协议。因为每种协议都有其自身的特点和优势，所以在为应用程序选择最佳技术时，它给了工程师更多的设计自由。

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