一種絕對式光電編碼器的通信協議設計

何英武，莫元勁，韋 鳳

（廣州數控設備有限公司，廣東廣州 510530）

一種絕對式光電編碼器的通信協議設計

何英武，莫元勁，韋 鳳

（廣州數控設備有限公司，廣東廣州 510530）

編碼器是現代化工業設備快速發展的重要環節，提出一種新的絕對式光電編碼器通信協議設計，該設計主要介紹了在三個基本工作模式下的數據傳輸格式，以及各數據幀的具體格式；同時，還對各模式的運行響應時間進行計算；最后，將該通信協議應用到國產編碼器中，能完全實現最初設計功能。設計的編碼器通信協議具備傳輸速度較快、電氣連接結構較簡單以及較高穩定性等特點，可廣泛應用于各類編碼器中。

編碼器；通信協議；數據幀格式；時序

1 概述

隨著精密數控機床、工業機器人等現代化工業化設備的快速發展，對伺服驅動系統提出了越來越高的要求，高速、高精度是伺服驅動系統未來的發展方向，而編碼器作為伺服驅動系統最常用的位置檢測環節，毫無疑問是提高其速度、精度的關鍵環節之一。

光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器[1]，它具有體積小、分辨度高、壽命長等特點，是目前伺服系統中應用最多的傳感器。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，可以直接讀出角度坐標的絕對值，沒有累積誤差，電源切除后位置信息不會丟失，它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關，因此，絕對式光電編碼器更適合應用于高速、高精度的伺服驅動系統。本文將以絕對式光電編碼器為對象，對其通信協議進行設計。

2 絕對式光電編碼器構成及原理

絕對式光電編碼器[2]是直接輸出數字量的傳感器，它是由光電碼盤和光電檢測裝置組成，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數，工作時，碼盤的一側放置光源，另一側放置光電接收裝置[3]，如圖1所示。

由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，碼盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。當碼盤處于不同位置時，光電元件接收光信號，并轉換出相應的電信號，形成二進制數[4]。這種編碼器的特點是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進制分辨率的編碼器，理論上其碼盤必須有N條碼道。

圖1 光電編碼器原理示意圖

3 絕對式編碼器通信協議設計

所謂編碼器通信協議，是指編碼器與后續電子設備之間的通信，這里的后續電子設備可以是單片機、CPLD/FPGA、DSP、ARM或ASIC等大家熟知的電子器件[1]。在研究了國際上現有的多種通信協議后，認為多摩川公司的通信協議具有電氣連線簡單、通信可靠等特點，因此，本文在多摩川編碼器通信協議的基礎上，提出一種新的絕對式編碼器通信協議設計，該通信協議的設計包含但不僅限于多摩川通信協議，下面將從電氣連接和通信協議數據幀兩方面進行介紹。

3.1 電氣連接

絕對式光電編碼器的電氣連接如圖2所示。兩根數據線采用RS-485接口，通過一塊RS-485驅動芯片與后續電子設備通信，驅動芯片有一個發送器和接收器。后續電子設備通過切換驅動芯片的工作狀態，向編碼器發送數據，或者接收編碼器發送的數據。

3.2 通信協議數據幀

后續電子設備與編碼器通信采取“一問一答”[5]的方式，由后續電子設備向編碼器發送相應的控制指令，編碼器根據接收到的不同控制指令反饋不同的數據，本文介紹的通信協議主要包括三種模式：（1）讀取編碼器信息模式；（2）讀取編碼器內EEPROM模式；（3）寫入編碼器內EEPROM模式。

3.2.1 通信協議模式

（1）讀取編碼器信息模式

讀取編碼器信息模式如圖3所示，由后續電子設備向編碼器發送“讀取編碼器信息”控制指令，編碼器接收到該控制指令，立即鎖定當前的數據值，并按照設定的算法進行運算和校驗，最終經過處理的數據值由編碼器反饋至后續電子設備。讀取編碼器信息模式是編碼器最主要的工作模式。

后續電子設備向編碼器發送控制幀KZ，編碼器根據該控制幀KZ的要求，輸出控制幀KZ、狀態幀ZT、數據幀SJn和數據校驗幀CRC。其中使用數據幀SJn的個數要根據發出的控制指令要求決定，本設計中n=4～10。

圖2 電氣連接圖

圖3 讀取編碼器信息數據幀格式圖

（2）讀取編碼器內EEPROM模式

讀取編碼器內EEPROM模式如圖4所示，由后續電子設備向編碼器發送“讀取編碼器內EE?PROM”指令，讀取編碼器內EEPROM指定地址上的數據，編碼器按該指令輸出數據。

圖4 讀取編碼器內EEPROM數據幀格式圖

后續電子設備向編碼器發送控制幀KZ、地址幀DZ和數據校驗幀CRC，其中控制幀KZ包含要求讀取EEPROM的控制指令，編碼器輸出控制幀KZ、地址幀DZ、數據幀ESJ和數據校驗幀CRC。

（3）寫入編碼器內EEPROM模式

寫入編碼器內EEPROM模式如圖5所示，由后續電子設備向編碼器發送“寫入編碼器內EE? PROM”指令，將相應數據寫入編碼器內EE?PROM的指定位置上，以實現對編碼器內EE?PROM的數據變更。

圖5 寫入編碼器內EEPROM數據幀格式圖

后續電子設備向編碼器發送控制幀KZ、地址幀DZ、數據幀ESJ和數據校驗幀CRC，其中控制幀KZ包含要求寫入EEPROM的控制指令，將數據幀ESJ的數據寫入地址幀DZ指定的位置，編碼器根據指令相應輸出控制幀KZ、地址幀DZ、數據幀ESJ和數據校驗幀CRC。

3.2.2 各數據幀格式

在本設計中，各數據幀的位數不是固定的，根據具體的功能來設定，同時，每個數據幀以“0”為起始位，“1”為結束位，起始位和終止位并不代表編碼信息內容。

（1）控制幀KZ

控制幀KZ的格式如圖6所示，控制幀包含相應的控制命令，用來控制編碼器的工作狀態。傳輸過程中沒有時鐘同步，同步碼用來同步傳輸，在沒有數據傳輸時，數據線拉高為高電平，當編碼器或電子設備端檢測到低電平時，即認為檢測到數據幀，通信速率可變化，根據應用場合不同，可設置高低不同的通信速率，一般設置在2 Mbit/s～10 Mbit/s之間，在本文中通信速率默認為5 Mbit/s；控制指令bit的個數可以根據實際要求設定，本文設計的bit為4～8個，為便于計算，圖6表示4個bit的情況，另外還有一個控制命令校驗位kjy，是對4個bit控制命令的奇偶校驗，以保證信息發送可靠，控制指令具體內容見表1。

（2）狀態幀ZT

狀態幀ZT格式如圖7所示。狀態幀包含了編碼器相應的工作狀態。信息位bit個數可設為4～8個bit，為便于計算，圖7中表示4個bit位的格式情況。表2中列出部分具體的內容定義；編碼錯誤報警位cb0和cb1，通信報警位tb0和tb1，正常狀態置“0”，當置“1”時表示的具體報警情況見表3。

圖6 控制幀格式

表1 控制指令功能表

圖7 狀態幀格式

表2 狀態信息表

表3 報警信息表

（3）數據幀SJn（DZ/ESJ）

數據幀格式如圖8所示。數據幀SJn中包含編碼信息，具體為單圈數據和多圈數據。數據位包含8個bit，由于編碼器單圈位數和多圈位數往往在十位以上，所以在表示多位單圈數據或多圈數據時，需要用幾個數據幀表示。例如當一個絕對式光電編碼器的單圈位數為17位，故至少需3個數據幀表示單圈數據。

圖8 數據幀格式

編碼數據采用低位對齊的方式，即編碼信息由低位從第一個數據幀第一個數據位開始傳輸。數據幀多出編碼位數的數據位則置“0”。編碼器根據后續電子設備發送的控制幀中控制命令決定輸出數據幀的內容，包括單圈數據，多圈數據以及數據幀的個數，最少輸出1個數據幀，最多輸出n個數據幀，數據幀設置與數據位信息見表4，另外，地址幀DZ和數據幀ESJ的格式與數據幀SJn相同。

表4 數據幀信息表

表4中：ABS0～ABS2表示單圈數據，其中，ABS0/ABS2表示在24個bit里的低位/高位數據，例如，表示一個絕對式光電編碼器的單圈位數為17位，ABS0和ABS1僅有16位數據，因此，ABS2第一個數據位要占用，其余高七位的數據置0。

ABM0～ABM2表示多圈數據，數據幀的應用原理同上述單圈數據。

SJn中，n=4～10。

ESJ表示讀/寫EEPROM的數據。

（4）數據校驗幀CRC

CRC幀具體格式如圖9所示，數據校驗幀包含CRC校驗碼，接收完數據時可通過CRC校驗檢測數據的完整性。CRC校驗幀的數據位為m個bit，m=8～16，為方便計算，圖9表示8個bit的數據情況，CRC編碼校驗的計算公式可根據校驗要求設定，本文初步設計的兩個計算公式為G(X)= Xm+Xm-5+1或G(X)=Xm+1。起始位和結束位不參與校驗運算。

圖9 校驗幀格式

3.2.3 通信協議時序邏輯

本設計中編碼器在通信過程中無時鐘同步，傳輸速率默認是5 Mbit/s，若有P個bit，則傳輸時間的計算式為：

t=200 ns/bit×p bit

例如，計算控制幀的傳輸時間（為便于計算，上述各數據幀的格式在圖中表示均為10個bit，本文的所有幀均以10 bit計算，但實際應用中可根據需要改變各幀的格式長度），控制幀為10 bit，則控制幀的傳輸時間為t=200 ns/bit×10 bit= 2 000 ns=2μs。另外，編碼器在接收后續電子設備發送的數據后，設定2～3μs后反饋輸出數據，根據3.2.1所述的三種工作模式下的數據幀格式，推算出整個傳輸過程中的時序關系如圖10所示。

圖10 傳輸模式時序圖

4 通信協議實際應用

采用本文介紹的通信協議設計，應用到國產絕對式光電編碼器上，應用設備實物見圖11，圖11中設備由一臺編碼器和后續電子設備組成。

圖11 應用設備實物圖

按照上述三個工作模式的設計，進行仿真測試，讀取編碼器信息波形如圖12，讀取編碼器內EEPROM波形如圖13，寫入編碼器內EEPROM波形如圖14。

圖12 讀取編碼器信息波形

圖13 讀取編碼器內EEPROM波形

圖14 寫入編碼器內EEPROM波形

通過與國產編碼器配合使用測試，證明用上述該通信協議，編碼器與后續電子設備能完全實現前期設計的功能。即使是國家要求的三級/四級標準脈沖群干擾和靜電干擾的環境，通過該協議進行通信，仍能保持數據通信的正確，并保證數據傳輸的穩定與可靠性。

5 結束語

本文設計的絕對式光電編碼器通信協議，采用的異步傳輸模式，通訊速率默認為5 Mbit/s，傳輸速度較快；電氣連接結構較簡單，易于技術人員的操作和檢查；通信模式的數據幀設計簡單，數據格式內部設置豐富，可根據實際要求調整數據幀格式長度，適用于不同類型的編碼器；另外，經過實際驗證，證明了該通信協議傳輸的穩定性和可靠性。因此，本文設計的編碼器通信協議可廣泛應用于各類編碼器，在工業化生產中發揮積極作用。

［1］彭雨.基于FPGA的絕對式光電編碼器通信接口研究［D］.武漢：華中科技大學，2011.

［2］蘇海冰，劉恩海.單圈絕對式編碼器的研制［J］.光學精密工程，2002（10）：74-78.

［3］田岳，和文國，李彥林，等.低成本的高分辨率磁編碼器的研制［J］.傳感器世界，1999（9）：7-11.

［4］姜義.光電編碼器的原理與應用［J］.機床電器，2010（2）：25-28.

［5］謝希仁.計算機網絡［M］.北京：電子工業出版社，2003.

A Communication Protocol Design of the Absolute Photoelectric Encoder

HE Ying-wu，MO Yuan-jin，WEI Feng
（GSK CNC Equipment Company Limited，Guangzhou510530，China）

Encoder is the important segment of the developing highly of the modernize industry equipment.A new communication protocol design of the absolute photoelectric encoder is proposed in this paper.The information transmission forms of the three basic working modes are introduced，the specific data forms of information are introduced too，then the timing requirement of the working modes are calculated，last，the prime design functions of the domestic encoder can be achieved completely by using the new communication protocol design.Information transferring quickly，structure of electrical connecting simply and working stability are the characteristics of the new communication protocol design which can be used in various encoders.

encoder;communication protocol;frame structure;timing requirement

TP212

A

1009－9492(2014)02－0046－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.014

何英武，男，1963年生，四川人，碩士，工程師。研究領域：數控系統以及數控機床相關設備。

(編輯：向 飛)

2013－08－31