集成绝对值编码器 – SPI、RS-485和SSI协议概述

2019年8月27日 Jason Kelly

集成绝对值编码器 – SPI、RS-485和SSI协议概述

在各行业追求更强的工业生产力、更智能的生活,以及更高的能效时,电力推进无人驾驶和先进自动化领域迎来了成倍增长的机遇。编码器可在这些应用中发挥巨大作用,因为电机需要精确跟踪位置和运动。但是,面对市场上的多种编码器类型和通信协议,都有哪些选项,其中哪种选项能够根据不同的设计要求提供最大的优势?

选择合适的编码器

控制器或变速电机驱动器可能需要根据不同的应用领域,测量转子速度、位置和方向的任何组合。旋转编码器是用于此目的的首选设备,可以采用相对于参考点给定位置的增量型,也可采用表示每个转子位置的唯一代码的绝对值编码器。虽然这两种类型的编码器都遵循相似的操作原理,但绝对值编码器能够在系统开启后立即确定转子位置而不进行初始化,还可以在意外断电时跟踪位置。

位置检测通常使用光学传感(计数并比较编码轮上的标记)或者在编码轮转动时检测变化电容的电传感来执行。选择使用电容编码器(如CUI AMT系列绝对值编码器)可消除码盘上的污垢或油脂或者不正确的光或杂光造成的光学误差。CUI的专利电容技术可确保高可靠性和低维护。

编码器通信协议选项

另一个重要方面是考虑编码器如何连接到主机系统,特别是最合适的通信接口。供应商可提供从简单的TTL输出到工业以太网或专利标准等各种输出的零件。我们熟悉的串行接口标准属于最受欢迎和广泛使用的型号,包括RS-485(又名 TIA/EIA-485),SPI(串行外设接口)和SSI(同步串行接口)。设计人员的选择可能取决于主机系统可用的接口以及诸如协议延迟、最大数据速率、编码器和主机之间的连接距离,以及所需的抗噪声级别等因素。

串行外围设备接口(SPI)

SPI支持通过时钟信号协调的双向同步互动。同步通信无需确定任何公共数据速率或要发送的比特数,进而简化了主设备和从设备之间的交互。主输出从输入(MOSI)和主输入从输出(MISO)数据连接支持全双工通信。大量主机控制器均已内置SPI端口。该端口结合调整数据速率的功能,使SPI成为一种极为简单易用的连接,尽量减少了追加网络电路的数量。

主设备通过主张相应的芯片选择信号,向给定的从设备请求数据,从设备也会立即响应这使得CUI AMT22系列等SPI编码器能够以极快的速度向主机提供位置反馈。AMT22会在通过SPI连接访问时给出当前位置,还可以使用扩展命令指示设置零点或重置编码器。2 MHz的最大时钟速度支持数据移位到输入缓冲区,以便在1500 ns内开始读出。

图示具有共享时钟信号、MOSI和MISO以及独特芯片选择线的典型SPI配置
具有共享时钟信号、MOSI和MISO以及独特芯片选择线的典型SPI配置

SPI连接是单端的,最适合一米以内的短连接距离。然而,动态调整数据速率的功能又能支持设备以较慢的速度在较长的距离发挥作用。

RS-485

如果编码器要放在与主机相距较远的位置,或操作环境中存在明显的电气噪声,RS-485差分信号可以提供更大的抗误差或抗干扰能力。RS-485通信是异步进行的,因此不需要时钟信号。专用RS-485收发器必需能够达到10 Mbps甚至更高的通信速度,具体取决于距离。

数据通过一根双绞线电缆进行交换,电缆必须使用与电缆特性阻抗相等的电阻进行正确端接,通常在电缆的每一端分别放置一个电阻。RS-485串行总线可连接多个编码器,最好尽可能缩短电缆和编码器之间的连接距离。

图示具备主机和多个编码器的典型RS-485配置
具备主机和多个编码器的典型RS-485配置

CUI的AMT21系列编码器用于连接RS-485串行总线,使用4个引脚实现连接,包括电源、接地和两个差分引脚。默认协议是8N1(8数据位,无奇偶校验,1个停止位),其中两个低位定义了给编码器的命令,其余位则含有编码器地址。这一协议允许多达64个编码器共享总线。控制器输入编码器地址和命令以读取总线上的位置数据(或多圈编码器的匝数)时,目标编码器会在3微秒内响应。还有两个扩展命令,可用于设置零位和重置编码器。

同步串行接口(SSI)

SSI通常是使用差分信号传输的同步单路主从通信协议,没有芯片选择信号。这样可通过动态速度调节,实现与编码器之间的简单且低成本的连接,同时获得差分连接的高抗噪性优势。

CUI的AMT23系列绝对值编码器实现了SSI的变体,它可以通过配备单端通信和使用芯片选择连接,让主机激活总线上的各个编码器,从而节省一条接线。与SPI不同,主机不发送命令。编码器完全通过将位置数据输入到总线上来作出响应,从而简化了主机和编码器之间的接口。CUI的SSI接口兼容具有芯片选择功能的成品SSI控制器。典型连接长度和噪声性能与SPI相似。

图示具有共享时钟和数据线以及独特芯片选择线的典型3线SSI配置
具有共享时钟和数据线以及独特芯片选择线的典型3线SSI配置

结论

CUI的绝对值编码器让设备设计人员能够为其应用灵活选择合适的编码器,同时简化了与主机系统的互连。差分RS-485接口是一个强大的选项,适合要求长连接距离或高抗噪性的应用,同时可实现高速通信。另一方面,SPI易于实现,网络要求更少,并且可在大量现成的通用微控制器上获得本机支持。最后,SSI实现同步通信并减少布线,加之其差分信号传输所具有的抗噪性优势,也使其成为适合编码器的简便和低成本选项。

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Jason Kelly

Jason Kelly

运动控制设计和应用工程师

作为CUI的AMT编码器和运动控制产品设计工程师,Jason Kelly参与大量新型编码器的设计,其中包括配套附件的创建、软件接口和客户工具。他对于领先的工程设计和实践的重视明确体现在CUI的创新型AMT编码器以及他为客户提供的现场支持上。Jason如果不在实验室从事设计,就会忙着改造自己的家、摆弄他的卡车,或者和他的妻子及家人一同探索太平洋西北地区的野外隐藏的宝石。

 
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