Jens Sorenson和Richard Anslow ADI公司 旋轉編碼器廣泛用于工業自動化系統中。此類編碼器的典型應用是電力機械，其中編碼器連接到旋轉軸，從而向控制系統提供反饋。雖然編碼器的主要用途是角度位置和速度測量，但系統診斷和參數配置等其他特性也很常見。圖1顯示了一個電機控制信號鏈，其利用RS-485收發器和微處理器連接絕對編碼器（ABS編碼器）從機和工業伺服驅動器主機，以實現對交流電機的閉環控制。 伺服驅動器和ABS編碼器之間的RS-485通信鏈路通常要求最高達16 MHz的高數據速率和低傳播延遲時序規格。RS-485線纜延伸長度最大值通常是50米，但有時候也可能長達150米。對數據通信而言，電機控制編碼器應用是具有挑戰性的環境，因為電氣噪聲和長電纜會影響RS-485信號傳輸的完整性。本文重點闡述電機控制應用采用ADI公司50 Mbps (25 MHz) ADM3065E RS-485收發器和ADSP-CM40x混合信號控制處理器的主要好處。 ADM3065E RS-485收發器設計用于在電機控制編碼器之類惡劣環境中可靠地工作，并且具備增強的抗擾度和(IEC) 61000-4-2 ESD（靜電放電）魯棒性。 圖1. 利用RS-485連接絕對編碼器從機和伺服驅動器主機，實現對交流電機的閉環控制。 抗擾度 RS-485信號傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾。系統噪聲均等地耦合到RS-485雙絞線電纜中的每條導線。一個信號的發射與另一個信號相反，耦合到RS-485總線的電磁場彼此抵消。這降低了系統的電磁干擾(EMI)。此外，ADM3065E增強的2.1 V驅動強度支持在通信中實現更高的信噪比(SNR)。給ADM3065E增加信號隔離可利用ADuM141D輕松實現。ADuM141D是一款采用ADI公司iCoupler?技術的四通道數字隔離器。ADuM141D的工作數據速率最高可達150 Mbps，因此它適合與50 Mbps ADM3065E RS-485收發器一起工作（參見圖2）。直接功率注入(DPI)法測量器件抑制注入到電源或輸入引腳的噪聲的能力。ADuM141D采用的隔離技術已通過測試，符合DPI IEC 62132-4標準。ADuM141D抗擾度性能超過同類產品。ADuM141D在整個頻率范圍內保持了出色的性能，而其他隔離產品在200 MHz至700 MHz頻段出現位錯誤。 圖2. 信號隔離的50 Mbps RS-485解決方案（簡化圖，未顯示全部連接）。 IEC 61000-4-2 ESD性能 編碼器到電機驅動器的裸露RS-485連接器和線纜上的ESD是一個常見系統危險因素。與變速電力驅動系統的EMC抗擾度要求相關的系統級IEC 61800-3標準，要求最低±4 kV（接觸）/±8 kV（空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護。ADM3065E超過了這一要求，提供±12 kV（接觸）/±12 kV（空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護。圖3所示為IEC 61000-4-2標準中的8 kV接觸放電電流波形與人體模型(HBM) ESD 8 kV波形的對比。從圖4中可以看出，兩個標準規定的波形形狀和峰值電流是不同的。與IEC 61000-4-2 8 kV脈沖關聯的峰值電流為30 A，相應的HBM ESD峰值電流比該數值的五分之一還小，為5.33A。另一差異為初始電壓尖峰的上升時間，對于IEC 61000-4-2 ESD，上升時間為1 ns，相較于與HBM ESD波形關聯的10 ns時間要快得多。與IEC ESD波形關聯的功率值顯著大于HBMESD波形的相應值。HBM ESD標準要求待測設備(EUT)經受3次正放電和3次負放電，而IEC ESD標準則要求10次正放電和10次負放電測試。與標稱多種HBM ESD保護級別的其他RS-485收發器相比，具有IEC 61000-4-2 ESD額定值的ADM3065E更適合在惡劣環境中工作。 圖3. IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)與HBM ESD波形(8 kV)的對比 EnDat通信協議 編碼器使用的通信協議有很多種，例如EnDat、BiSS、HIPERFACE和Tamagawa。盡管有區別，但編碼器通信協議在實現方面具有相似點。這些協議的接口是串行雙向管道，符合RS-422或RS-485電氣規范。雖然硬件層有相同之處，但運行每種協議所需的軟件是獨一無二的。通信堆棧和所需的應用程序代碼均特定于協議。本文主要說明EnDat 2.2接口主機側的硬件和軟件實現。 延遲影響 延遲分為兩類：第一類是電纜的傳輸延遲，第二類是收發器的傳播延遲。電纜延遲由光速和電纜的電介質常數決定，典型值為6 ns/m至10 ns/m。當總延遲超過半時鐘周期時，主機和從機之間的通信就會出故障。對此，設計人員有如下選擇： * 降低數據速率 * 減小傳播延遲 * 在主機側提供延遲補償 選項3可同時補償電纜延遲和收發器延遲，因此是確保系統能以高時鐘速率通過長電纜運行的有效辦法。缺點是延遲補償會增加系統的復雜性。在延遲補償不可行的系統中，或在電纜較短的系統中，使用傳播延遲短的收發器具有明顯的優勢。低傳播延遲使得時鐘速率可以更高，而且不必在系統中引入延遲補償。 圖4. 實驗設置 主機實現 主機實現包括串行端口和通信堆棧。編碼器協議并不兼容標準端口（例如UART），故無法使用大多數通用微控制器上的外設。不過，利用FPGA的可編程邏輯可以在硬件中實現專用通信端口，并支持延遲補償等高級特性。FPGA方法雖然很靈活，可以針對具體應用進行定制，但也有缺點。與處理器相比，FPGA成本高，功耗大，而且上市時間長。 本文討論的EnDat接口是在ADI公司的ADSP-CM40x上實現，后者是一款針對電機控制驅動器而開發的處理器。除了脈寬調制器(PWM)定時器、模數轉換器(ADC)和sinc濾波器等用于電機控制的外設以外，ADSP-CM40x還有高度靈活的串行端口(SPORT)。 這些SPORT可以仿真多種協議，包括EnDat和BiSS等編碼器協議。由于ADSP-CM40x的外設很豐富，所以它不僅能執行高級電機控制，而且能與編碼器接口。換言之，無需使用FPGA。 測試設置 EnDat 2.2測試設置如圖4所示。EnDat從機是Kollmorgen的一款標準伺服電機(AKM22)，EnDat編碼器(ENC1113)安裝在軸上。三對線（數據、時鐘和電源線）將編碼器連接到收發器板。EnDat PHY上有兩個收發器和用于編碼器的電源。一個收發器用于時鐘，另一個收發器用于數據線路。EnDat主機由ADSP-CM40x結合標準外設和軟件而實現。發送端口和接收端口均利用靈活的SPORT實現。EnDat協議包括多種長度不同的幀，不過這些幀全都基于相同序列，如圖5所示。首先，主機發送命令至從機，然后從機處理命令并執行必要的計算。最后，從機將結果送回主機。 圖5. EnDat發送/接收序列 發送時鐘(Tx CLK)由處理器ADSP-CM40x產生。由于系統延遲，來自編碼器的數據在返回處理器之前會與發送時鐘錯相。為補償傳輸延遲tDELAY，處理器還會產生一個接收時鐘(Rx CLK)，它比發送時鐘延遲tDELAY。讓接收時鐘與自從機收到的數據同相是補償傳輸延遲的有效辦法。 來自處理器的時鐘信號是連續的，而EnDat協議規定，時鐘只能在通信期間施加于編碼器。在所有其他時候，時鐘線路必須保持高電平。為此，處理器產生一個時鐘使能信號CLK EN，其被送至ADM3065E數據使能引腳。恰好兩個時鐘周期(2T)之后，主機開始在Tx DATA上發出命令。 命令有6位長，隨后是兩個0位。為了控制收發器的數據方向，處理器在傳輸時將Tx/Rx EN位置1。在從機準備響應的同時，系統進入等待狀態，主機繼續施加時鐘，但數據線無效。當從機準備就緒時，數據線接收數據被拉高，然后立即發送響應。收到n位響應之后，主機將CLK EN信號設為低電平以停止時鐘。與此同時，ENC CLK信號變為高電平。數據流為半雙工式， ENC數據圖為畫在一起的收發數據流。 實驗結果 圖6顯示了EnDat系統的測試結果。測試使用的時鐘頻率為8 MHz，延遲補償通過接收時鐘相移實現。底部信號是來自EnDat主機的命令。此處顯示的命令為“發送位置”，其前面是兩個0，接著是六個1，最后又是兩個0。該命令總共有10位。編碼器的響應是從頂部起的第三個信號。合并數據線是從頂部起的第二個信號。最后，頂部信號是施加于編碼器的時鐘。 圖6. EnDat數據交換 作者簡介 Jens Sorensen是ADI公司系統應用工程師，負責工業應用的電機控制解決方案。他的主要興趣在于控制算法、電源電子和控制處理器。Jens目前專注工業應用，而在早期職業生涯中致力于開發家用電器和汽車應用中的電機控制和電源電子元件。聯系方式： 。 Richard Anslow是ADI公司產品應用工程師，負責工業應用隔離接口解決方案。Richard的主要興趣包括工業自動化、能源和軍事航空航天應用的通信接口與隔離魯棒性。Richard畢業于愛爾蘭利默里克大學，獲工程學士和碩士學位。聯系方式： 。 (mbbeetchina)