位移傳感器串行通信接口研究與設計*

楊藝勇，唐小琦，宋 寶

(華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074）

0 引言

在運動控制系統中，位移傳感器一般采用光電編碼器或者光柵尺［1］，早期位移傳感器信號輸出為TTL電平或者正余弦脈沖串［2］。在電機高速運行時，若采用傳統脈沖串的方式傳輸信號，容易出現計數誤差，從而影響控制性能［3］。為了提高位置反饋精度和控制性能，在運動控制系統中，位移傳感器與控制裝置之間逐漸采用數字式串行通信接口。目前，國內外位置測量器件接口大部分采用數字式串行通信協議［4］，如 EnDat、SSI、BISS，HIPERFACE、多摩川等［5-7］。但是這些串行通信方法存在下述問題:串行同步通信方式采用數據和時鐘兩組信號進行傳輸，對數據和時鐘信號二者相位同步要求高，因此對傳輸速率和傳輸距離有嚴格要求，需要額外添加同步補償功能，否則容易導致數據接收錯誤;另外串行通信采用電平的方式表示數據，容易受到干擾［8］。

本文根據位移傳感器與控制裝置之間強實時性、高可靠性特點，針對現有串行通信接口存在問題，設計一種位移傳感器串行通信協議——CPE-Bus(Communication Protocol of Encoder Bus），在基于現場可編程邏輯陣列(FPGA）和RS485接口芯片硬件平臺上實現位移傳感器與控制裝置之間數據通信，解決了現有串行通信中數據與傳輸時鐘同步性和抗干擾性差等問題。

1 CPE-Bus通信結構

在運動控制系統中，位置傳感器與控制裝置之間數據傳輸是點對點的形式，因此CPE-Bus協議采用點對點串行通信結構。CPE-Bus通信結構由控制裝置和位移傳感器通過電纜連接構成，如圖1所示，在CPE-Bus通信兩端都包含FPGA和RS485接口芯片，其中FPGA用于CPE-Bus協議的處理和數據讀寫，RS485接口芯片用于接收或者發送差分信號。在CPE-Bus結構中，控制裝置對位移傳感器進行供電，在位置傳感器與控制裝置之間通過一對雙絞線進行數據傳輸。

圖1 串行通信結構示意圖

CPE-Bus通信協議以差分信號形式進行數據傳輸，增強對外界信號的抗干擾能力，同時在CPE-Bus的RS485收發器上采用終端匹配電路，在高傳輸速率或者長傳輸電纜下可以減少信號反射，改善信號的質量，提高傳輸可靠性。另外CPE-Bus的RS485收發器上還添加偏置電阻，在線路進入空閑狀態后，把總線上沒有數據時(空閑時）的電平拉離0電平。這樣一來，即使線路中出現了比較小的反射信號或干擾，掛接在總線上的數據接收器也不會由于這些信號的到來而產生誤動作。

2 CPE-Bus通信協議設計

CPE-Bus通信協議是在基于FPGA和RS485接口芯片硬件平臺實現的，所以重點在于CPE-Bus協議IP核設計。在設計CPE-Bus協議IP核時，采用模塊化設計方法，自頂而下劃分成不同子模塊，分別為數據讀寫模塊、數據處理模塊、模式處理模塊、曼徹斯特編解碼模塊和通信控制模塊五個模塊，如圖2所示。其中，數據讀寫模塊用于位移傳感器、控制裝置以及存儲器數據讀寫，數據處理模塊用于對數據進行CRC校驗和組幀，曼徹斯特編解碼模塊用于數據的曼徹斯特編解碼，模式處理模塊用于數據通信過程中模式產生或者模式判斷處理，通信控制模塊用于通信中各個模塊的工作的協調控制。在CPEBus通信兩端的IP核由于功能相似性，所以在設計時采用模塊劃分方式，利用IP核的復用性簡化設計。

圖2 CPE-Bus模塊組成示意圖

根據CPE-Bus模塊劃分以及通信需要，CPE-Bus工作模式分為數據模式和配置模式。數據模式是由位置傳感器向控制裝置傳輸位移傳感器實時數據和傳感器相關參數，而配置模式是由控制裝置向位置傳感器傳輸配置參數。在每一次數據通信開始時，控制裝置根據運動控制系統使用要求，發出模式信號，位置傳感器接收模式信號并對其進行模式判斷。

當CPE-Bus串行通信工作在配置模式時，控制裝置向位移傳感器發送配置數據幀，位移傳感器接收配置數據幀后，回傳接收到的配置數據幀，控制裝置接收并檢驗位移傳感器回傳的配置數據幀，若數據校驗正確則結束一次數據通信，退出配置模式，若數據校驗錯誤則可以選擇重傳參數或者結束數據通信，其工作流程如圖3所示。

圖3 串行通信配置模式流程圖

當CPE-Bus串行通信工作在數據模式時，控制裝置向位移傳感器發送數據幀，位移傳感器回傳位置數據幀，控制裝置接收并校驗回傳的位置數據幀，若數據校驗正確，根據系統要求選擇繼續數據傳輸或者結束數據通信;若在數據通信過程中出現數據傳輸超時或者數據校驗錯誤時則可以選擇報警并結束數據通訊或者繼續數據傳輸，其工作流程如圖4所示。

圖4 串行通信數據模式流程圖

3 CPE-Bus可靠性通信措施

為了保證CPE-Bus協議能夠在位移傳感器和控制裝置之間可靠地傳輸，需要采用一些處理措施。下面從數據的編碼和差錯檢測兩方面討論數據高可靠性通信措施。

目前位移傳感器的串行通信協議中數據基本采用單極性不歸零(NRZ，Non-return to Zero）編碼形式，即用高低電平表示分別傳送數據1和0。采樣不歸零編碼形式進行雙向串行同步傳輸時存在數據和時鐘同步問題，如圖5所示，信號在電纜傳輸需要t/2時間，且t/2正比于電纜長度。控制裝置向傳感器發送時鐘信號，由于信號傳輸時間造成在傳感器端接收到的時鐘有t/2的延遲，傳感器根據接收時鐘信號發送數據，同樣控制裝置接收的數據也有t/2的延遲。對控制裝置來說，接收的數據相對時鐘信號有t的延遲。當t小于或等于T/2時，控制裝置在時鐘下降沿能正確采樣到數據，否則就需要額外添加同步補償功能才能正確采樣的數據，因此對傳輸時間頻率和傳輸距離有嚴格要求，傳輸距離遠時，就會限制傳輸的最高時間頻率，反之，傳輸時鐘頻率越高時，也會限制最大傳輸距離。

圖5 串行同步傳輸時鐘與數據波形圖

曼徹斯特編碼(Manchester Encoding）是一種同步時鐘編碼技術，時鐘和數據包含在數據流中，具有自同步能力［9］。采用曼徹斯特編碼進行串行傳輸時可以從數據流中提取時鐘和數據信號，所以不存在時鐘與數據同步問題，只要信號在傳輸中能夠保持完整性前提下，對傳輸時鐘頻率和傳輸距離沒有限制。

EnDat、BISS、SSI協議采用不歸零數據編碼形式，在雙向串行傳輸通信時需要時鐘和數據兩對差分信號，存在時鐘與數據同步問題。而CPE-Bus協議采用曼徹斯特編碼，方便接收模塊提取時鐘和數據信息，解決了數據與時鐘同步問題，而且位移傳感器和控制裝置之間數據通信僅需一對差分雙絞電纜，簡化了傳輸裝置，同時提高傳輸的可靠性。

此外在串行數據通信過程中會遇到線路本身電氣特性造成的隨機噪聲、電信號在線路上反射到造成的回音效應、相鄰線路間的串擾以及外界因素干擾而造成信號幅度、頻率和相位的失真或者畸變，導致傳輸信息改變、通信不可靠。因此需要差錯檢測(Error Detection）來探測傳輸信息是否改變，以保證數據通信的可靠性。常用差錯檢測方法有奇偶檢驗(Parity Checking）、校驗和(Checksum）、循環冗余校驗(CRC，Cycle Redundancy Check）、海明碼(Hamming code）［10］。奇偶檢驗位主要適用于單比特差錯檢測，只能檢驗大約50%的突發錯誤，對串行通信來說，是遠遠不夠的。校驗和比奇偶校驗要準確一些，但也是達不到數據通信的要求。海明碼不僅能檢測到錯誤，還能對錯誤進行糾正，對單比特查錯糾正相對比較容易，但對多比特查錯糾正需要很大的開銷而且很復雜。而CRC校驗檢測準確度高、效率高，因而在網絡和通信領域被廣泛使用。CRC校驗能夠通過循環移位的方法實現，特別適合于FPGA中處理。鑒于CRC檢驗的優點，CPE-Bus采用CRC校驗進行通信差錯檢測。

4 實驗平臺及測試

本文設計串行通信實驗測試平臺如圖6所示，主要實驗設備包括:西門子永磁同步電機(型號1FT6062-6AC71-3AA0，額定轉速 2000r/min，最高轉速3200r/min，其編碼器輸出信號為1Vpp正余弦信號，2048線）、高倍正余弦細分盒以及華中數控HC5819伺服驅動器。高倍正余弦細分盒內部主要采用Altera公司FPGA芯片:CycloneIII EP3C10E144C8N和Maxim公司 RS485接口芯片:MAX14841E，伺服驅動器內部FPGA芯片則采用Altera公司 FPGA芯片:Cyclone II EP2C8Q208C8N，RS485接口芯片與細分盒一樣。

圖6 實驗測試平臺

實驗測試方法如下:伺服驅動器控制西門子電機轉動，電機通過編碼器接口反饋位置信息，高倍正余弦細分盒對編碼器輸出1Vpp正余弦信號進行高倍細分處理，高倍正余弦細分盒的另外一端與伺服驅動器通過雙絞線相連接。利用CPE-Bus串行通信協議將細分處理后數據傳輸給伺服驅動器，伺服驅動器接收細分盒上傳位置數據，完成閉環控制。

圖7為伺服驅動器與高倍細分盒之間一次數據通信實驗中，通過Quartus II軟件的SignalTap II工具抓取驅動控制器FPGA內部信號波形圖。其中Rece_data_485為RS485接收的數據，Tclk_Rece為提取的時鐘信號，Postion為接收到細分后位置數據，CRC_Err_Num為CRC校驗錯誤數。從圖中可以看出伺服驅動器與高倍細分盒之間通過CPE-Bus串行通信協議能夠正確地通信，驗證了CPE-Bus串行通信協議的可行性。

圖7 驅動控制器FPGA內部信號波形圖

下面從實時性、通信電纜長度、誤碼率三個方面的實驗測試串行通信協議的性能。

實時性測試實驗是通過在運動控制系統速度環下，設置不同傳輸時鐘傳輸速率，觀察對應轉速波動值。圖8為電機速度環設定在2500r/min轉速下，傳輸時鐘頻率從100KHz到10MHz變化時，對應轉速波動值統計結果。從實驗結果可以看出傳輸時鐘頻率越高，速度波動逐漸減少，時鐘頻率在4MHz以上時，速度基本穩定。說明傳輸時鐘頻率越高，串行通信實時性越好，反饋位置數據越準確，控制性能越好。

通信電纜長度測試實驗在不同電纜長度測試傳輸時鐘頻率最高頻率。圖 9為 Endat2.2協議與CPE-Bus串行通信協議時鐘頻率與電纜長度關系對比，在Endat2.2中如果無傳輸延遲時間補償，時鐘頻率取決于電纜長度，頻率可在100 kHz到2 MHz之間，隨電纜長度增加，最高時鐘頻率相應降低。如果在后續電子設備中對傳輸延時進行補償，時鐘頻率可提高到16MHz，電纜長度最長達100m(fclk≤8MHz）。而CPE-Bus串行通信協議無需增加延遲補償，電纜長度最長可達100m，最大傳輸頻率為10MHz。

圖8 在2500r/min轉速下，不同傳輸時鐘頻率對應速度波動值

誤碼率測試實驗是通過多次長時間運行測試平臺，統計不同傳輸時鐘頻率下，CRC檢驗出錯次數、通信次數，計算通信誤碼率。圖10為在多次運行測試平臺，每次運行時間不少于5個小時，傳輸時鐘頻率從100KHz到10MHz變化時，統計的通信誤碼率結果，從實驗結果中可以得知所設計串行通信協議誤碼率達10-12，可靠性較高，能夠滿足位移傳感器與控制裝置數據通信要求。

圖9 兩種通信協議傳輸時鐘頻率與電纜長度關系對比

圖10 不同傳輸時鐘頻率下誤碼率

5 結束語

本文采用曼徹斯特編碼以及循環冗余校驗技術，設計一種位移傳感器串行通信協議，分析了其通信結構、IP核模塊劃分，工作模式以及可靠性通信措施。通過實驗驗證了串行通信協議的可行性，同時從不同實驗測試串行通信協議實時性、通信電纜長度、誤碼率。實驗結果表明串行通信協議具有較高的實時性、可靠性，在運動控制系統中位置傳感器與控制裝置之間長距離數據通信方面具有很廣泛的應用價值。

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