基于FPGA/CPLD設計EnDat接口編碼器數據采集方案

應耿賓

摘 要

海德漢公司的EnDat數據接口是一種適用于編碼器的雙向數據接口，可傳輸絕對式或增量式編碼器的位置值，也能傳輸或更新保存在編碼器中的信息或保存新信息。可廣泛用于機器人、數控機床和高精度伺服系統等各種應用場合的伺服驅動器。本文介紹了EnDat接口的特點、功能，同時介紹了如何設計編碼器數據采集后續電路以及FPGA程序模塊。

【關鍵詞】EnDat 編碼器 FPGA CPLD 伺服驅動器

伺服控制系統需要編碼器為位置和速度控制提供反饋信號。編碼器有增量式編碼器和絕對值編碼器，本文主要介紹海德漢公司的絕對式編碼器。

增量式編碼器提供單圈信號，只能提供一圈內的位置，絕對式編碼器可同時提供單圈和多圈信號，可以用于長行程，需要多圈絕對位置的場合。

1 EnDat接口介紹

本文采用德國海德漢的絕對值編碼器。它使用的是EnDat2.2接口，可傳輸位置值和其他附加信息。含CRC校驗，提高了數據傳輸的可靠性，DSP通過FPGA/CPLD獲得編碼器的位置值。圖1是EnDat編碼器接口圖。

1.1 EnDat接口優點

（1）降低成本：適用于所有海德漢公司的絕對式和增量式編碼器；連接件小，可減小系統尺寸；連接簡單，四根信號線，電纜接線成本低；可發送附加信息（限位開關/溫度/加速度），可代替外接的附加傳感器，降低成本。

（2）質量更高：編碼器優化設計，系統精度更高；輪廓加工精度高。

（3）高實用性：數字信號傳輸，系統的可靠性高；具有診斷功能；具有冗余校驗功能，可靠性高。

（4）系統安全性高：兩路獨立錯誤信息；具有校驗和確認功能。

（5）采樣周期短：整個“讀寫”周期采樣時間只有25us。

1.2 數據傳輸格式

數據包內容包括錯誤信息1和2、位置值、附加信息（根據發送類型可選擇），如圖2所示。

1.2.1 錯誤信息1和2

Endat接口可以對編碼器進行全面監測并且無需附加傳輸線。如果發生可能導致不正確位置值的編碼器故障，將發出出錯信息。同時將錯誤原因保存在編碼器上。獨立生成第二個錯誤檢測信息，錯誤信息2用反相電平發送，確保數據安全可靠。

1.2.2 位置值

位置值以一個完整數據字形式傳輸，其長度取決于編碼器分辨率。數據發送從最低有效位（LSB）開始。

1.2.3 附加信息

根據發送類型，可以隨位置值發送一個或兩個附加信息（由MRS碼選擇）。每條附加信息長度為30bit并以低電平位開始，每條附加信息均以CRC結束。相應編碼器所支持的附加信息保存在編碼器參數中。附加信息包括狀態信息、地址和數據。

2 EnDat接口后續電子設備的電路設計方案

數據可以在位置編碼器和后續電子設備之間進行雙向傳輸，后續電子設備收發需要支持RS485（差分信號）。

編碼器和后續接口電路如圖3所示，注意電路設計時數據DATA是雙向傳輸，時鐘CLOCK是單向激勵，外部輸入到編碼器即可。RS485芯片可以選擇類似ADM3485的芯片，數據可以雙向傳輸。

編碼器信號經過RS485差分芯片后，進入FPGA/CPLD進行處理，FPGA/CPLD進行解碼后，將位置相關信息通過并行總線傳輸給后續的處理芯片（如DSP），具體電氣連接圖這里就不再詳細描述。

3 FPGA/CPLD軟件

海德漢公司提供基于FPGA/CPLD的軟核。提供完整版軟核（不開放源代碼），對硬件有特定要求，針對Altera公司的Acex、Cyclone系列以及Xilinx公司的Virtex、Spartan系列提供了EnDat協議的完整版軟件宏。同時也提供簡化版軟核（開放源代碼），對硬件沒有特定的要求。

3.1 完整版軟核（不開放源代碼）

該軟核實現了EnDat接口的所有基本功能，并進行了封裝，帶有并行總線接口，用戶可通過6位地址線和16位數據線與微控制器進行8位或16位的數據傳輸，用戶使用界面良好，容易上手，不需要進行二次開發。圖4是FPGA的模塊圖。

3.2 簡化版軟核（開放源代碼）

完整版軟核海德漢公司不提供軟件源代碼，并且只能特定的FPGA上實現，比如在Xilinx公司的Virtex、Spartan系列及Altera公司的Acex、Cyclone系列的FPGA上才能使用，用戶無法進行后續開發升級。

海德漢公司提供一種簡化版的軟核，提供源代碼，能讀取編碼器位置信息和錯誤信息，但是沒有開發與后續芯片（如DSP）之間的總線接口，需要用戶開發，優點是可以在此基礎上進行二次開發。

如圖5所示，簡化版軟核是一個核心軟核，沒有包含與編碼器以及后續DSP的總線接口，這部分的軟件工作需要由用戶來完成。由于開放源代碼，用戶的后續開發比較方便，可以根據具體需求開發，軟核的軟件代碼量小，可以選用容量較小的FPGA/CPLD芯片。筆者采用簡化版軟核已經開發成功。

4 結束語

海德漢公司的EnDat接口在很多行業已得到廣泛的應用，時鐘頻率最快可以提高到16 MHz，能滿足高動態性能要求的應用。

本文介紹了基于FPGA/CPLD設計EnDat接口編碼器數據采集方案，用以進行編碼器和伺服驅動器DSP處理器之間的通訊。本文給出了硬件設計框圖，介紹了海德漢公司的FPGA/CPLD軟件宏框圖，可以實現對電機位置的準確讀取。

作者單位

1.同濟大學 電子與信息工程學院 上海市 201804

2.寧波興泰機械有限公司 浙江省寧波市 315111endprint

摘 要

海德漢公司的EnDat數據接口是一種適用于編碼器的雙向數據接口，可傳輸絕對式或增量式編碼器的位置值，也能傳輸或更新保存在編碼器中的信息或保存新信息。可廣泛用于機器人、數控機床和高精度伺服系統等各種應用場合的伺服驅動器。本文介紹了EnDat接口的特點、功能，同時介紹了如何設計編碼器數據采集后續電路以及FPGA程序模塊。

【關鍵詞】EnDat 編碼器 FPGA CPLD 伺服驅動器

伺服控制系統需要編碼器為位置和速度控制提供反饋信號。編碼器有增量式編碼器和絕對值編碼器，本文主要介紹海德漢公司的絕對式編碼器。

增量式編碼器提供單圈信號，只能提供一圈內的位置，絕對式編碼器可同時提供單圈和多圈信號，可以用于長行程，需要多圈絕對位置的場合。

1 EnDat接口介紹

本文采用德國海德漢的絕對值編碼器。它使用的是EnDat2.2接口，可傳輸位置值和其他附加信息。含CRC校驗，提高了數據傳輸的可靠性，DSP通過FPGA/CPLD獲得編碼器的位置值。圖1是EnDat編碼器接口圖。

1.1 EnDat接口優點

（1）降低成本：適用于所有海德漢公司的絕對式和增量式編碼器；連接件小，可減小系統尺寸；連接簡單，四根信號線，電纜接線成本低；可發送附加信息（限位開關/溫度/加速度），可代替外接的附加傳感器，降低成本。

（2）質量更高：編碼器優化設計，系統精度更高；輪廓加工精度高。

（3）高實用性：數字信號傳輸，系統的可靠性高；具有診斷功能；具有冗余校驗功能，可靠性高。

（4）系統安全性高：兩路獨立錯誤信息；具有校驗和確認功能。

（5）采樣周期短：整個“讀寫”周期采樣時間只有25us。

1.2 數據傳輸格式

數據包內容包括錯誤信息1和2、位置值、附加信息（根據發送類型可選擇），如圖2所示。

1.2.1 錯誤信息1和2

Endat接口可以對編碼器進行全面監測并且無需附加傳輸線。如果發生可能導致不正確位置值的編碼器故障，將發出出錯信息。同時將錯誤原因保存在編碼器上。獨立生成第二個錯誤檢測信息，錯誤信息2用反相電平發送，確保數據安全可靠。

1.2.2 位置值

位置值以一個完整數據字形式傳輸，其長度取決于編碼器分辨率。數據發送從最低有效位（LSB）開始。

1.2.3 附加信息

根據發送類型，可以隨位置值發送一個或兩個附加信息（由MRS碼選擇）。每條附加信息長度為30bit并以低電平位開始，每條附加信息均以CRC結束。相應編碼器所支持的附加信息保存在編碼器參數中。附加信息包括狀態信息、地址和數據。

2 EnDat接口后續電子設備的電路設計方案

數據可以在位置編碼器和后續電子設備之間進行雙向傳輸，后續電子設備收發需要支持RS485（差分信號）。

編碼器和后續接口電路如圖3所示，注意電路設計時數據DATA是雙向傳輸，時鐘CLOCK是單向激勵，外部輸入到編碼器即可。RS485芯片可以選擇類似ADM3485的芯片，數據可以雙向傳輸。

編碼器信號經過RS485差分芯片后，進入FPGA/CPLD進行處理，FPGA/CPLD進行解碼后，將位置相關信息通過并行總線傳輸給后續的處理芯片（如DSP），具體電氣連接圖這里就不再詳細描述。

3 FPGA/CPLD軟件

海德漢公司提供基于FPGA/CPLD的軟核。提供完整版軟核（不開放源代碼），對硬件有特定要求，針對Altera公司的Acex、Cyclone系列以及Xilinx公司的Virtex、Spartan系列提供了EnDat協議的完整版軟件宏。同時也提供簡化版軟核（開放源代碼），對硬件沒有特定的要求。

3.1 完整版軟核（不開放源代碼）

該軟核實現了EnDat接口的所有基本功能，并進行了封裝，帶有并行總線接口，用戶可通過6位地址線和16位數據線與微控制器進行8位或16位的數據傳輸，用戶使用界面良好，容易上手，不需要進行二次開發。圖4是FPGA的模塊圖。

3.2 簡化版軟核（開放源代碼）

完整版軟核海德漢公司不提供軟件源代碼，并且只能特定的FPGA上實現，比如在Xilinx公司的Virtex、Spartan系列及Altera公司的Acex、Cyclone系列的FPGA上才能使用，用戶無法進行后續開發升級。

海德漢公司提供一種簡化版的軟核，提供源代碼，能讀取編碼器位置信息和錯誤信息，但是沒有開發與后續芯片（如DSP）之間的總線接口，需要用戶開發，優點是可以在此基礎上進行二次開發。

如圖5所示，簡化版軟核是一個核心軟核，沒有包含與編碼器以及后續DSP的總線接口，這部分的軟件工作需要由用戶來完成。由于開放源代碼，用戶的后續開發比較方便，可以根據具體需求開發，軟核的軟件代碼量小，可以選用容量較小的FPGA/CPLD芯片。筆者采用簡化版軟核已經開發成功。

4 結束語

海德漢公司的EnDat接口在很多行業已得到廣泛的應用，時鐘頻率最快可以提高到16 MHz，能滿足高動態性能要求的應用。

本文介紹了基于FPGA/CPLD設計EnDat接口編碼器數據采集方案，用以進行編碼器和伺服驅動器DSP處理器之間的通訊。本文給出了硬件設計框圖，介紹了海德漢公司的FPGA/CPLD軟件宏框圖，可以實現對電機位置的準確讀取。

作者單位

1.同濟大學 電子與信息工程學院 上海市 201804

2.寧波興泰機械有限公司 浙江省寧波市 315111endprint

摘 要

海德漢公司的EnDat數據接口是一種適用于編碼器的雙向數據接口，可傳輸絕對式或增量式編碼器的位置值，也能傳輸或更新保存在編碼器中的信息或保存新信息。可廣泛用于機器人、數控機床和高精度伺服系統等各種應用場合的伺服驅動器。本文介紹了EnDat接口的特點、功能，同時介紹了如何設計編碼器數據采集后續電路以及FPGA程序模塊。

【關鍵詞】EnDat 編碼器 FPGA CPLD 伺服驅動器

伺服控制系統需要編碼器為位置和速度控制提供反饋信號。編碼器有增量式編碼器和絕對值編碼器，本文主要介紹海德漢公司的絕對式編碼器。

增量式編碼器提供單圈信號，只能提供一圈內的位置，絕對式編碼器可同時提供單圈和多圈信號，可以用于長行程，需要多圈絕對位置的場合。

1 EnDat接口介紹

本文采用德國海德漢的絕對值編碼器。它使用的是EnDat2.2接口，可傳輸位置值和其他附加信息。含CRC校驗，提高了數據傳輸的可靠性，DSP通過FPGA/CPLD獲得編碼器的位置值。圖1是EnDat編碼器接口圖。

1.1 EnDat接口優點

（1）降低成本：適用于所有海德漢公司的絕對式和增量式編碼器；連接件小，可減小系統尺寸；連接簡單，四根信號線，電纜接線成本低；可發送附加信息（限位開關/溫度/加速度），可代替外接的附加傳感器，降低成本。

（2）質量更高：編碼器優化設計，系統精度更高；輪廓加工精度高。

（3）高實用性：數字信號傳輸，系統的可靠性高；具有診斷功能；具有冗余校驗功能，可靠性高。

（4）系統安全性高：兩路獨立錯誤信息；具有校驗和確認功能。

（5）采樣周期短：整個“讀寫”周期采樣時間只有25us。

1.2 數據傳輸格式

數據包內容包括錯誤信息1和2、位置值、附加信息（根據發送類型可選擇），如圖2所示。

1.2.1 錯誤信息1和2

Endat接口可以對編碼器進行全面監測并且無需附加傳輸線。如果發生可能導致不正確位置值的編碼器故障，將發出出錯信息。同時將錯誤原因保存在編碼器上。獨立生成第二個錯誤檢測信息，錯誤信息2用反相電平發送，確保數據安全可靠。

1.2.2 位置值

位置值以一個完整數據字形式傳輸，其長度取決于編碼器分辨率。數據發送從最低有效位（LSB）開始。

1.2.3 附加信息

根據發送類型，可以隨位置值發送一個或兩個附加信息（由MRS碼選擇）。每條附加信息長度為30bit并以低電平位開始，每條附加信息均以CRC結束。相應編碼器所支持的附加信息保存在編碼器參數中。附加信息包括狀態信息、地址和數據。

2 EnDat接口后續電子設備的電路設計方案

數據可以在位置編碼器和后續電子設備之間進行雙向傳輸，后續電子設備收發需要支持RS485（差分信號）。

編碼器和后續接口電路如圖3所示，注意電路設計時數據DATA是雙向傳輸，時鐘CLOCK是單向激勵，外部輸入到編碼器即可。RS485芯片可以選擇類似ADM3485的芯片，數據可以雙向傳輸。

編碼器信號經過RS485差分芯片后，進入FPGA/CPLD進行處理，FPGA/CPLD進行解碼后，將位置相關信息通過并行總線傳輸給后續的處理芯片（如DSP），具體電氣連接圖這里就不再詳細描述。

3 FPGA/CPLD軟件

海德漢公司提供基于FPGA/CPLD的軟核。提供完整版軟核（不開放源代碼），對硬件有特定要求，針對Altera公司的Acex、Cyclone系列以及Xilinx公司的Virtex、Spartan系列提供了EnDat協議的完整版軟件宏。同時也提供簡化版軟核（開放源代碼），對硬件沒有特定的要求。

3.1 完整版軟核（不開放源代碼）

該軟核實現了EnDat接口的所有基本功能，并進行了封裝，帶有并行總線接口，用戶可通過6位地址線和16位數據線與微控制器進行8位或16位的數據傳輸，用戶使用界面良好，容易上手，不需要進行二次開發。圖4是FPGA的模塊圖。

3.2 簡化版軟核（開放源代碼）

完整版軟核海德漢公司不提供軟件源代碼，并且只能特定的FPGA上實現，比如在Xilinx公司的Virtex、Spartan系列及Altera公司的Acex、Cyclone系列的FPGA上才能使用，用戶無法進行后續開發升級。

海德漢公司提供一種簡化版的軟核，提供源代碼，能讀取編碼器位置信息和錯誤信息，但是沒有開發與后續芯片（如DSP）之間的總線接口，需要用戶開發，優點是可以在此基礎上進行二次開發。

如圖5所示，簡化版軟核是一個核心軟核，沒有包含與編碼器以及后續DSP的總線接口，這部分的軟件工作需要由用戶來完成。由于開放源代碼，用戶的后續開發比較方便，可以根據具體需求開發，軟核的軟件代碼量小，可以選用容量較小的FPGA/CPLD芯片。筆者采用簡化版軟核已經開發成功。

4 結束語

海德漢公司的EnDat接口在很多行業已得到廣泛的應用，時鐘頻率最快可以提高到16 MHz，能滿足高動態性能要求的應用。

本文介紹了基于FPGA/CPLD設計EnDat接口編碼器數據采集方案，用以進行編碼器和伺服驅動器DSP處理器之間的通訊。本文給出了硬件設計框圖，介紹了海德漢公司的FPGA/CPLD軟件宏框圖，可以實現對電機位置的準確讀取。

作者單位

1.同濟大學 電子與信息工程學院 上海市 201804

2.寧波興泰機械有限公司 浙江省寧波市 315111endprint