Hengstler常用編碼器通信協(xié)議解析

無論用于捕捉物理運動的方式如何，Hengstler技術(shù)人員要強調(diào)的一點：編碼器獲取的信息都必須發(fā)送給控制器，這是由將原始脈沖轉(zhuǎn)換為傳輸協(xié)議的另一編碼層實現(xiàn)的。

物理連接會影響協(xié)議的選擇及其操作。通常，協(xié)議是同步的，即使用時鐘信號或異步（不使用時鐘信號）。此外，物理連接可以不對稱，也可以差動以使其更堅固。這種組合有四種選擇。含蓋這些選項的最常用協(xié)議是串行外圍接口（或SPI、單端、同步）、RS-485（TIA/EIA-485，也稱為差動、異步）和同步。串行接口（或SSI、差動、同步）。

SSI通信協(xié)議

SSI通訊協(xié)議為縮寫，其全稱為同步串行接口( Synchronous Serial interface )。 SSI通訊的幀格式如圖1所示，數(shù)據(jù)傳輸采用同步方式，在空閑階段不發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候時鐘和數(shù)據(jù)都保持高電位，在第一個脈沖的下降沿觸發(fā)Hengstler編碼器載入發(fā)送數(shù)據(jù)，然后每一個時鐘脈沖的上升沿編碼器送出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的高位在前，低位在后，當傳送完所有的位數(shù)以后時鐘回到高電平，數(shù)據(jù)也對應回到高電平。



圖中有幾個參數(shù)定義如下:

T為時鐘的脈沖頻率，介為數(shù)據(jù)傳輸間隔. Tm為單穩(wěn)觸發(fā)時間.N為為傳輸位數(shù).傳輸?shù)奈粩?shù)可以是任意的，但實際使用中單圈編碼器采用13位，多圈采用25位.對于從方編碼器而言是無法事先知道主方發(fā)送的時鐘脈沖個數(shù)的，因而無法確定幀的起始位和停止位.解決問題的方法是采用高電位保持一段的時間內(nèi)沒有變化作為幀結(jié)束標志.Tm單穩(wěn)時間就是指這個時間.在實際應用中可以采用一個單穩(wěn)(軟件或者硬件)，把時鐘輸人作為單穩(wěn)的輸入，通過單穩(wěn)輸出控制SSI的數(shù)據(jù)輸出狀態(tài):單穩(wěn)一旦置位，SSI的輸出狀態(tài)就要回到初始狀態(tài)，準備開始下一個數(shù)據(jù)的循環(huán)過程。

BISS通信協(xié)議

BiSS通信協(xié)議是一種全雙工同步串行總線通信協(xié)議，專門為滿足實時、雙向、高速的傳感器通信而設(shè)計，在硬件上兼容工業(yè)標準SSI(同步串行接口協(xié)議)總線協(xié)議。其典型應用是在運動控制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)伺服驅(qū)動器與亨士樂編碼器通信。BiSS由德國IC-HAUS公司開發(fā)，現(xiàn)已成為傳感器通信協(xié)議的國際化標準。BiSS通信協(xié)議目前的版本是BISS-C。

關(guān)鍵技術(shù)特征：

1、二線串行同步數(shù)據(jù)總線，采用RS422接口，波特率達到10Mbit/s；采用LVDS接口， 波特率>10Mbit/s，這反映了BiSS有高的響應速度;

2、通信效率高，每10uS傳輸超過64個比特，有效負載率大于80%。這反映出BiSS能承載高分辨率編碼器數(shù)據(jù);

3、線時分復用，包括每個通信周期傳輸一幀的數(shù)據(jù)通信信道和傳輸一個幀位的寄存器通信信道。其中，寄存器通信和數(shù)據(jù)通信完全獨立，互不干涉。對于不需要寄存器通信的應用場合，可以使用BiSS-C Unidirectional版本。這個版本的協(xié)議沒有寄存器通信。這反映了采用BiSS的控制系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性和便利性。

4、多種安全機制確保數(shù)據(jù)可靠，BiSS的延遲補償技術(shù)能補償傳輸線帶來的信號延遲，采用兩組CRC生成多項式分別對傳感器數(shù)據(jù)與寄存器數(shù)據(jù)進行校驗。BiSS協(xié)議幀還包括一位報警位和一位錯誤位，CRC生成多項式可自定義。這反映了BiSS傳輸可靠，采用BiSS的控制系統(tǒng)可靠。

5、數(shù)據(jù)同步，BiSS利用時鐘信號同步傳感器數(shù)據(jù)，傳感器在第一個時鐘脈沖到來時進行數(shù) 據(jù)更新，每一幀到達后續(xù)電子設(shè)備的數(shù)據(jù)其傳輸延遲都是相同的，方便后續(xù)電子設(shè)備進行時延補償，特別適合電機控制等對時間位置關(guān)系要求苛刻的應用場合。這反映BiSS對于Hengstler編碼器精度的影響很小，有助于提高控制系統(tǒng)的高速特性。

6、組網(wǎng)能力，通過BiSS可以構(gòu)成單總線傳感器環(huán)網(wǎng)，一個通信周期采集全部傳感數(shù)據(jù)，并且信號采集是同步的。這反映BiSS的擴展性和前瞻性。

7、即插即用，BiSS支持從寄存器讀出編碼器參數(shù)，來配置數(shù)據(jù)通信。凡是支持BiSS標準EDS和Profile的編碼器和控制系統(tǒng)都可以直接通信，無需修改任何程序。



圖中是BiSS的基本組網(wǎng)方式，叫point-to-point方式。后續(xù)電子設(shè)備(圖中為PLC)通過差分信號向傳感器提供時鐘，傳感器同步地通過差分信號向后續(xù)電子設(shè)備發(fā)出傳感數(shù)據(jù)。在BiSS協(xié)議中后續(xù)電子設(shè)備被稱為Master，傳感器被稱為Slave。在point-to-point方式下，Master可以接收Slave的數(shù)據(jù)，同時與Slave進行雙向數(shù)據(jù)通信。



描繪了point-to-point組網(wǎng)時的BiSS通信幀。MA由Master發(fā)出用于驅(qū)動通信，SL是Slave發(fā)出的數(shù)據(jù)信號。完成1個BiSS通信幀表示Master收到1幀數(shù)據(jù)。

EnDat協(xié)議

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，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)電了設(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。

特點：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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Hengstler編碼器的一些極限值被接近或超過時提供警告信號。

5. 更寬的電壓范圍(3.6-14V)和傳輸速率(16M）。



EnDat接口編碼器數(shù)據(jù)采集原理圖



數(shù)據(jù)傳輸格式

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，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)控服務的群組信號，他們的生成相互獨立，用來表示可能導致不正確位置信息的編碼器故障導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)電了設(shè)備查詢。

從最低位開始，絕對位置值被傳輸，數(shù)據(jù)的長度由使用的亨士樂編碼器類型決定。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。

HIPERFACE協(xié)議

HIPERFACE是高性能接口（High Performance Interface）的縮寫，是SICK-STEGMANN電機反饋系統(tǒng)的標準接口。該接口專為數(shù)字驅(qū)動控制而研發(fā)，為用戶提供標準化的簡化型機械和電氣接口。

特點：

1、僅在速度控制器上配備一個電氣接口，適用于所有應用。速度控制器和電機反饋系統(tǒng)間只需使用同一類型電纜進行連接。

僅通過一個電氣接口即可實現(xiàn)低端及高端應用。

2、混合接口

模擬量過程數(shù)據(jù)通道上的混合接口:正弦信號和余弦信號通過該接口進行差分傳輸，且?guī)缀鯖]有延遲。

雙向參數(shù)通道上的混合接口(與RS485規(guī)格一致):用于傳輸絕對位置信息和其他各種參數(shù)。

3、僅8條電線。

4、配備電子類型標簽，用于識別電機反饋及存儲電機反饋系統(tǒng)中的驅(qū)動相關(guān)信息。

5、寬溫度范圍，具有較強的耐沖擊和抗振動性能，抗電磁干擾。具有緊湊的尺寸，可安裝于伺服電機內(nèi)部。

6、模擬量正弦/余弦信號可進行速度控制，低速應用時可提供較高分辨率，高速控制時可提供足夠低的信號帶寬。

7、電纜長度最大為100 m

8、在機械齒輪應用的位置控制方面，具有相同物理尺寸的電機反饋系統(tǒng)可作為絕對式多圈型編碼器使用，絕對定位高達4096轉(zhuǎn)。

HIPERFACE電機反饋系統(tǒng)同時使用了增量型編碼器和絕對型編碼器，兼具這兩種編碼器的優(yōu)點。

首先，絕對位置值僅當設(shè)備通電并與控制器里的外部計數(shù)器通信時才產(chǎn)生，一一通過與RS485規(guī)格相符的基于總線的參數(shù)接口—增量計數(shù)器在這絕對位置值基礎(chǔ)上，對模擬量正弦/余弦信號進行增量計數(shù)。使用高線性的正弦和余弦信號可獲得速度控制所需的高分辨率(反正切在控制器中形成)。然而，此時傳輸?shù)男盘栴l率仍然相對較低。例如:每轉(zhuǎn)512周期，即使是在12000 rpm轉(zhuǎn)速時頻率也僅為102.4kHz，這樣即使是長距離也可輕松傳輸。



數(shù)據(jù)格式

異步接口的數(shù)據(jù)基本格式如下:

1個起始位

8個數(shù)據(jù)位(最低有效位在前)

1個停止位

可設(shè)置的奇偶性:奇，偶，無

可設(shè)置的波特率:600,  1200, 2400, 4800, 4800, 9600,  19200,  38400波特

參數(shù)通常預設(shè)為:

9600波特

奇偶性二1(如果數(shù)據(jù)位的總和為奇數(shù))

多摩川協(xié)議

多摩川絕對式編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)單圈23bit多圈16bit總計39bit的高解析度。

數(shù)據(jù)通訊是基于485硬件接口標準NRZ協(xié)議，通訊波特率為2.5M的串行通訊。CRC循環(huán)循環(huán)冗余校驗數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)出錯導致異常的問題發(fā)生。通訊距離可達到20米。



Hengstler編碼器具備狀態(tài)自檢功能，對于電池欠壓、失效、編碼器計數(shù)錯誤、過速度、碼盤故障等可通過編碼器狀態(tài)位讀取出來。

控制器或驅(qū)動器可通過單獨的指令對單圈數(shù)據(jù)或多圈重置零位，可清除故障標志位。

內(nèi)置768字節(jié)EEPROM，可擦寫一萬次以上，可用于存儲電機相關(guān)信息，對于伺服驅(qū)動器對電機參數(shù)的自動識別提供了可行的途徑。

多摩川串行絕對編碼器通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

串行波特率：2.5M

起始位：1bit

停止位：1bit

數(shù)據(jù)位：8bit

讀取編碼器單圈、多圈、全部數(shù)據(jù)、及復位狀態(tài)：

只需發(fā)送一個字節(jié)控制數(shù)據(jù)。



編碼器應答數(shù)據(jù)：

包括接收到的控制字，及編碼器狀態(tài)字、編碼器ID（能夠識別編碼器基本類型），及編碼器數(shù)據(jù)。最后一個字節(jié)為對前面所有的數(shù)據(jù)進行CRC校驗。



讀取編碼器內(nèi)部EEPROM數(shù)據(jù)：

需發(fā)送三個字節(jié)數(shù)據(jù)，讀取EEPROM數(shù)據(jù)控制字、EEPROM數(shù)據(jù)地址、CRC效驗碼。



編碼器應答數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)：

結(jié)構(gòu)包括EEPROM數(shù)據(jù)控制字、EEPROM數(shù)據(jù)地址、EEPROM數(shù)據(jù)、CRC效驗碼。



讀取一次編碼器全部數(shù)據(jù)需要60μS左右。為伺服電機提供高速度位置響應提供了可能。



版權(quán)聲明：本文為CSDN博主「hudawang_li」的原創(chuàng)文章。
原文鏈接：https://blog.csdn.net/hudawang_li/article/details/79626611

協(xié)議的選擇有很多考慮事項。它們最初提供了一定程度的互操作性，特別是在工業(yè)電機控制等電噪聲較大的應用程序中，還提高了通信信道的健壯性。但是，這又產(chǎn)生了一個問題：哪個協(xié)議最適合特定的應用程序。

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