Hengstler常用編碼器通信協(xié)議解析

無(wú)論用于捕捉物理運(yùn)動(dòng)的方式如何，Hengstler技術(shù)人員要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)的。

物理連接會(huì)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(shí)鐘信號(hào)或異步（不使用時(shí)鐘信號(hào)）。此外，物理連接可以不對(duì)稱，也可以差動(dòng)以使其更堅(jiān)固。這種組合有四種選擇。含蓋這些選項(xiàng)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(dòng)、異步）和同步。串行接口（或SSI、差動(dòng)、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(shí)候時(shí)鐘和數(shù)據(jù)都保持高電位，在第一個(gè)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(gè)時(shí)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(dāng)傳送完所有的位數(shù)以后時(shí)鐘回到高電平，數(shù)據(jù)也對(duì)應(yīng)回到高電平。



圖中有幾個(gè)參數(shù)定義如下:

T為時(shí)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(shí)間.N為為傳輸位數(shù).傳輸?shù)奈粩?shù)可以是任意的，但實(shí)際使用中單圈編碼器采用13位，多圈采用25位.對(duì)于從方編碼器而言是無(wú)法事先知道主方發(fā)送的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)的，因而無(wú)法確定幀的起始位和停止位.解決問(wèn)題的方法是采用高電位保持一段的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有變化作為幀結(jié)束標(biāo)志.Tm單穩(wěn)時(shí)間就是指這個(gè)時(shí)間.在實(shí)際應(yīng)用中可以采用一個(gè)單穩(wěn)(軟件或者硬件)，把時(shí)鐘輸人作為單穩(wěn)的輸入，通過(guò)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(zhǔn)備開始下一個(gè)數(shù)據(jù)的循環(huán)過(guò)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(shí)時(shí)、雙向、高速的傳感器通信而設(shè)計(jì)，在硬件上兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SSI(同步串行接口協(xié)議)總線協(xié)議。其典型應(yīng)用是在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器與亨士樂(lè)編碼器通信。BiSS由德國(guó)IC-HAUS公司開發(fā)，現(xiàn)已成為傳感器通信協(xié)議的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)。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(dá)到10Mbit/s；采用LVDS接口， 波特率>10Mbit/s，這反映了BiSS有高的響應(yīng)速度;

2、通信效率高，每10uS傳輸超過(guò)64個(gè)比特，有效負(fù)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(shí)分復(fù)用，包括每個(gè)通信周期傳輸一幀的數(shù)據(jù)通信信道和傳輸一個(gè)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(dú)立，互不干涉。對(duì)于不需要寄存器通信的應(yīng)用場(chǎng)合，可以使用BiSS-C Unidirectional版本。這個(gè)版本的協(xié)議沒(méi)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(jī)制確保數(shù)據(jù)可靠，BiSS的延遲補(bǔ)償技術(shù)能補(bǔ)償傳輸線帶來(lái)的信號(hào)延遲，采用兩組CRC生成多項(xiàng)式分別對(duì)傳感器數(shù)據(jù)與寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。BiSS協(xié)議幀還包括一位報(bào)警位和一位錯(cuò)誤位，CRC生成多項(xiàng)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(shí)鐘信號(hào)同步傳感器數(shù)據(jù)，傳感器在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)進(jìn)行數(shù) 據(jù)更新，每一幀到達(dá)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(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，特別適合電機(jī)控制等對(duì)時(shí)間位置關(guān)系要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合。這反映BiSS對(duì)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(guò)BiSS可以構(gòu)成單總線傳感器環(huán)網(wǎng)，一個(gè)通信周期采集全部傳感數(shù)據(jù)，并且信號(hào)采集是同步的。這反映BiSS的擴(kuò)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(lái)配置數(shù)據(jù)通信。凡是支持BiSS標(biāo)準(zhǔn)EDS和Profile的編碼器和控制系統(tǒng)都可以直接通信，無(wú)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(guò)差分信號(hào)向傳感器提供時(shí)鐘，傳感器同步地通過(guò)差分信號(hào)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(shí)與Slave進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。



描繪了point-to-point組網(wǎng)時(shí)的BiSS通信幀。MA由Master發(fā)出用于驅(qū)動(dòng)通信，SL是Slave發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)。完成1個(gè)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(jì)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(duì)式編碼器傳輸位置值，同時(shí)也夠傳輸或更新存儲(chǔ)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(hào)線，在后續(xù)電了設(shè)備的時(shí)鐘激勵(lì)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(diǎn)：

1. 傳輸位置值與附加信息可同時(shí)傳輸；附加信息的類型可通過(guò)存儲(chǔ)地址選擇碼選擇。

2. 編碼器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域包括編碼器制造商參數(shù)、OEM廠商參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)，便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置。

3. EnDat2.2編碼器實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字傳輸，增量信號(hào)的處理在編碼器內(nèi)部完成(內(nèi)置14Bit細(xì)分)，提高了信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性，可實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。

4. 監(jiān)控和診斷功能，報(bào)警條件包括:光源失效、信號(hào)幅值不足、位置計(jì)算錯(cuò)誤、運(yùn)行電壓太低或太高、電流消耗太大等；當(dāng)Hengstler編碼器的一些極限值被接近或超過(guò)時(shí)提供警告信號(hào)。

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(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送，傳輸循環(huán)從時(shí)鐘的第一個(gè)下降沿開始測(cè)量值被保存，計(jì)算位置值。在兩個(gè)時(shí)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(jì)算出了絕對(duì)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(cuò)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(wù)的群組信號(hào)，他們的生成相互獨(dú)立，用來(lái)表示可能導(dǎo)致不正確位置信息的編碼器故障導(dǎo)致故障的確切原因保存在“運(yùn)行狀態(tài)”存儲(chǔ)區(qū)，可以被后續(xù)電了設(shè)備查詢。

從最低位開始，絕對(duì)位置值被傳輸，數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度由使用的亨士樂(lè)編碼器類型決定。傳輸位置值所需的時(shí)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(cè)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(jī)反饋系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口。該接口專為數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制而研發(fā)，為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)化的簡(jiǎn)化型機(jī)械和電氣接口。

特點(diǎn)：

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

僅通過(guò)一個(gè)電氣接口即可實(shí)現(xiàn)低端及高端應(yīng)用。

2、混合接口

模擬量過(guò)程數(shù)據(jù)通道上的混合接口:正弦信號(hào)和余弦信號(hào)通過(guò)該接口進(jìn)行差分傳輸，且?guī)缀鯖](méi)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(duì)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(biāo)簽，用于識(shí)別電機(jī)反饋及存儲(chǔ)電機(jī)反饋系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)相關(guān)信息。

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

6、模擬量正弦/余弦信號(hào)可進(jìn)行速度控制，低速應(yīng)用時(shí)可提供較高分辨率，高速控制時(shí)可提供足夠低的信號(hào)帶寬。

7、電纜長(zhǎng)度最大為100 m

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

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

首先，絕對(duì)位置值僅當(dāng)設(shè)備通電并與控制器里的外部計(jì)數(shù)器通信時(shí)才產(chǎn)生，一一通過(guò)與RS485規(guī)格相符的基于總線的參數(shù)接口—增量計(jì)數(shù)器在這絕對(duì)位置值基礎(chǔ)上，對(duì)模擬量正弦/余弦信號(hào)進(jìn)行增量計(jì)數(shù)。使用高線性的正弦和余弦信號(hào)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(shí)傳輸?shù)男盘?hào)頻率仍然相對(duì)較低。例如:每轉(zhuǎn)512周期，即使是在12000 rpm轉(zhuǎn)速時(shí)頻率也僅為102.4kHz，這樣即使是長(zhǎng)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(gè)起始位

8個(gè)數(shù)據(jù)位(最低有效位在前)

1個(gè)停止位

可設(shè)置的奇偶性:奇，偶，無(wú)

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

參數(shù)通常預(yù)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(duì)式編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)單圈23bit多圈16bit總計(jì)39bit的高解析度。

數(shù)據(jù)通訊是基于485硬件接口標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)出錯(cuò)導(dǎo)致異常的問(wèn)題發(fā)生。通訊距離可達(dá)到20米。



Hengstler編碼器具備狀態(tài)自檢功能，對(duì)于電池欠壓、失效、編碼器計(jì)數(shù)錯(cuò)誤、過(guò)速度、碼盤故障等可通過(guò)編碼器狀態(tài)位讀取出來(lái)。

控制器或驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)單獨(dú)的指令對(duì)單圈數(shù)據(jù)或多圈重置零位，可清除故障標(biāo)志位。

內(nèi)置768字節(jié)EEPROM，可擦寫一萬(wàn)次以上，可用于存儲(chǔ)電機(jī)相關(guān)信息，對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別提供了可行的途徑。

多摩川串行絕對(duì)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(fù)位狀態(tài)：

只需發(fā)送一個(gè)字節(jié)控制數(shù)據(jù)。



編碼器應(yīng)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(shí)別編碼器基本類型），及編碼器數(shù)據(jù)。最后一個(gè)字節(jié)為對(duì)前面所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。



讀取編碼器內(nèi)部EEPROM數(shù)據(jù)：

需發(fā)送三個(gè)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(yàn)碼。



編碼器應(yīng)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(yàn)碼。



讀取一次編碼器全部數(shù)據(jù)需要60μS左右。為伺服電機(jī)提供高速度位置響應(yīng)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(xiàng)。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(jī)控制等電噪聲較大的應(yīng)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(gè)問(wèn)題：哪個(gè)協(xié)議最適合特定的應(yīng)用程序。

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