基于EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的多卡同步采集方法*

周楷濤，姜歌東,b，陶 濤,b，鄒 創(chuàng)

(西安交通大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

基于EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的多卡同步采集方法*

周楷濤a，姜歌東a,b，陶 濤a,b，鄒 創(chuàng)a

(西安交通大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

在基于內(nèi)置傳感器的數(shù)控機(jī)床性能測試中，以三通方式采集EnDat編碼器信號與其它類型編碼器信號時(shí)，存在同步不準(zhǔn)的問題，故提出了一種以EnDat信號采集卡為主卡，EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期分頻信號作為采樣時(shí)鐘的多卡同步采集方法?；贑PLD+MCU實(shí)現(xiàn)了EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的獲取及分頻電路的設(shè)計(jì)。通過在數(shù)控磨齒機(jī)上進(jìn)行EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期獲取實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期獲取方法及分頻電路設(shè)計(jì)的正確性，并在該數(shù)控磨齒機(jī)的傳動鏈測試實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了基于EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的多卡同步采集方法的可行性。

EnDat編碼器信號；數(shù)據(jù)傳輸周期；分頻信號；同步采集

0 引言

EnDat接口是HEIDENHAIN公司推出的一種全雙工數(shù)字式的同步串行傳輸協(xié)議[1]，主要用于編碼器和光柵尺位置數(shù)據(jù)的傳輸[2,3]。由于其傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，連線方式簡單等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、高精度伺服系統(tǒng)的內(nèi)部通信。

國內(nèi)外一些公司和學(xué)者專門對此協(xié)議進(jìn)行了研究和應(yīng)用，HEIDENHAIN公司[4]、TI公司[5]、華中科技大學(xué)的huYongbing等[6]設(shè)計(jì)了針對EnDat2.2位置編碼器的通信接口設(shè)備。然而，這些設(shè)備與EnDat編碼器的通信都屬于主動通信。在基于內(nèi)置傳感器的數(shù)控機(jī)床性能測試中[7-9]，需要在機(jī)床正常工作、不改變數(shù)控系統(tǒng)通信狀態(tài)情況下，讀取編碼器、光柵尺等數(shù)控機(jī)床反饋元件的信號，我們稱這種方式為三通方式的信號采集[8-9]。EnDat接口在數(shù)控系統(tǒng)中采用了主動通信方式，在這種情況下，同樣采用主動通信方式工作的采集卡和接口設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)三通方式的信號采集。為此，西安交通大學(xué)的陶濤、范勝乾等[10]提出并開發(fā)了一種基于三通方式的EnDat信號采集卡，但其還未提出解決EnDat采集卡與其他類型采集卡的同步采集問題的方法。多通道數(shù)據(jù)同步采集是多傳感器信息融合技術(shù)的關(guān)鍵[11]。數(shù)控機(jī)床各軸常見的位置反饋信號包括正余弦1Vpp、TTL和EnDat等多種形式，實(shí)現(xiàn)這些信號的同步采集，可以對機(jī)床的多軸聯(lián)動性能進(jìn)行分析。德國的ADDI-DATAGmbH公司[12]針對Endat接口，設(shè)計(jì)開發(fā)了APCI-8008等板卡，能夠?qū)崿F(xiàn)8個EnDat2.2編碼器信號的同步采集，但其只是對一種形式的信號進(jìn)行同步采集，且不能滿足三通方式的采集需求。

因此，研究和實(shí)現(xiàn)基于三通方式的EnDat信號采集卡與其他板卡的同步采集技術(shù)對實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)置傳感器的數(shù)控機(jī)床多軸信息獲取和保證同步測試精度具有重要意義。

1 同步采集方案

1.1 EnDat接口簡介

EnDat傳輸協(xié)議如圖1所示，可帶或不帶附加信息。沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，時(shí)鐘信號線保持為高電平狀態(tài)，每個傳輸周期開始時(shí)，時(shí)鐘信號由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，?shù)據(jù)傳輸期間，時(shí)鐘信號高、低電平占空比為1:1。

一個傳輸周期結(jié)束時(shí)，時(shí)鐘信號有一段恢復(fù)時(shí)間tm，其范圍在10～30μs或1.25～3.75μs(fc≥1MHz)，當(dāng)時(shí)鐘信號的高電平持續(xù)時(shí)間超過tm時(shí)，時(shí)鐘信號的下降沿到來時(shí)刻標(biāo)志著下一個傳輸周期的開始。

圖1 EnDat傳輸協(xié)議

可以發(fā)現(xiàn)，后續(xù)電子設(shè)備與EnDat接口的編碼器通信時(shí)，后續(xù)電子設(shè)備采用了主動方式去獲取編碼器的數(shù)據(jù)，不斷地向編碼器發(fā)送同步時(shí)鐘信號，編碼器在每個傳輸周期同步時(shí)鐘信號的第一個下降沿到來時(shí)保存位置值，因此，其他采集卡也應(yīng)該在此時(shí)刻鎖存數(shù)據(jù)才能保證采集數(shù)據(jù)的同步性。

1.2 同步采集方案的確定

通過對EnDat接口同步時(shí)鐘信號進(jìn)行分析，可以利用CPLD設(shè)計(jì)電路生成EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期信號status_idle，該信號時(shí)序如圖2所示。

圖2 EnDat傳輸周期信號時(shí)序圖

數(shù)控系統(tǒng)位置反饋元件常見的接口形式有三類：正余弦1Vpp格式、TTL格式和EnDat格式。1Vpp信號由IK200計(jì)數(shù)卡采集；EnDat信號由基于三通方式的EnDat信號采集卡采集；TTL格式信號由PCI1784/CNT32等采集卡采集。以1Vpp和EnDat接口形式為例，要實(shí)現(xiàn)這兩種格式信號的同步采集，可以有以下兩種方案：

(1)IK220做主卡，向EnDat采集卡發(fā)送同步采樣時(shí)鐘。

(2)EnDat采集卡做主卡，向IK220發(fā)送同步采樣時(shí)鐘。

若采用IK200計(jì)數(shù)卡作為主卡向EnDat采集卡發(fā)送同步采樣時(shí)鐘，由于采樣時(shí)鐘可能出現(xiàn)在Status_idle一個周期的任意時(shí)刻，此時(shí)寄存器中鎖存的數(shù)據(jù)將是上一個傳輸周期同步時(shí)鐘第一個下降沿到達(dá)編碼器時(shí)編碼器保存的位置值，那么就有可能產(chǎn)生與通信周期同等量級的偽同步時(shí)間偏差，造成實(shí)際物理信號采集同步不準(zhǔn)的問題。因此，本文采用第二種方案，預(yù)以Status_idle作為同步采樣時(shí)鐘信號。

1.3 多卡同步采集

IK220使用手冊[4]中指出了其采集增量式編碼器信號的最高采樣頻率可達(dá)10kHz，陶濤、范勝乾等[10]在其專利中說明了基于三通方式的EnDat信號采集卡的最高采樣頻率可達(dá)5kHz，HEIDENHAIN的技術(shù)資料[2]中指出了EnDat數(shù)據(jù)接口的傳輸時(shí)間不超過50μs，即EnDat數(shù)據(jù)傳輸頻率至少為20kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了EnDat信號采集卡和IK220的最高采樣頻率，因此，不能直接將Status_idle信號作為同步采樣時(shí)鐘信號，需要先將Status_idle信號進(jìn)行分頻，以其分頻信號作為IK220或其他類型采集卡的同步采樣時(shí)鐘信號。EnDat傳輸周期信號的十六分頻信號Sample_Out如圖3所示。

圖3 EnDat傳輸周期信號的十六分頻

EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期的獲取方案如圖4所示。經(jīng)過EnDat采集卡的預(yù)處理電路將差分時(shí)鐘信號轉(zhuǎn)換成單端時(shí)鐘信號，并通過濾波電路提高了信號的質(zhì)量，利用CPLD設(shè)計(jì)EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期獲取電路，然后通過MCU將傳輸周期的采樣數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，進(jìn)行顯示并保存。

圖4 基于三通方式的EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期獲取方案

EnDat信號采集卡的系統(tǒng)時(shí)鐘為100MHz，綜合對數(shù)據(jù)傳輸周期計(jì)算精度和芯片資源兩方面考慮，最終選擇利用系統(tǒng)時(shí)鐘的八分頻信號clk_12M對傳輸周期信號Status_idle進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此，獲取的數(shù)據(jù)傳輸周期分辨率為80ns。EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期計(jì)算模塊如圖5所示。

圖5 EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期計(jì)算模塊

利用EnDat采集卡的擴(kuò)展端口引腳向外輸出分頻信號，通過同步線輸送到其他采集卡的同步時(shí)鐘輸入引腳。EnDat信號采集卡與1Vpp信號采集卡和TTL信號采集卡同步采集時(shí)，連線方式如圖6所示。

圖6 多卡同步連線示意圖

2 實(shí)驗(yàn)

圖7為國內(nèi)某機(jī)床廠數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)傳動鏈測試現(xiàn)場。其中機(jī)床C軸采用EnDat接口的圓光柵反饋位置信息，其余各軸采用正余弦1Vpp格式的編碼器或光柵尺反饋位置信息。

2.1 EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期獲取實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文論述的EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期獲取方法的正確性，將測試系統(tǒng)切換為數(shù)據(jù)傳輸周期采集模式，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖7 數(shù)控磨齒機(jī)傳動鏈測試現(xiàn)場

圖8 某機(jī)床上EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期

由圖8可知，該機(jī)床C軸圓光柵EnDat接口傳輸周期信號波動平穩(wěn)，傳輸周期測試結(jié)果為50μs，分辨率為80ns，即傳輸頻率為20kHz，遠(yuǎn)高于EnDat采集卡和IK220的最高采樣頻率。因此，兩種類型的采集卡同步采集時(shí)，需要對Status_idle信號進(jìn)行分頻。

2.2 傳輸周期分頻信號驗(yàn)證

為驗(yàn)證該機(jī)床EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期就是50μs，將status_idle的四分頻信號通過EnDat采集卡擴(kuò)展接口的引腳輸出，通過示波器觀察四分頻信號的波形和頻率。示波器顯示結(jié)果如圖9所示。

圖9 示波器顯示status_idle四分頻信號

由圖9可知，示波器顯示該機(jī)床C軸圓光柵EnDat接口傳輸周期四分頻信號頻率為5kHz，因此，Status_idle的頻率為20kHz，周期為50μs，與測試系統(tǒng)顯示結(jié)果相同，從而驗(yàn)證了EnDat接口傳輸周期獲取方法的正確性以及分頻電路設(shè)計(jì)的正確性。

2.3 EnDat采集卡做主卡的同步采集技術(shù)實(shí)驗(yàn)

數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)采用展成法原理對齒輪進(jìn)行磨削加工時(shí)，S、C、X、Y、Z五軸聯(lián)動，S軸為砂輪主軸，C軸為齒輪旋轉(zhuǎn)軸，X軸實(shí)現(xiàn)砂輪沿齒輪徑向進(jìn)給運(yùn)動，Y軸實(shí)現(xiàn)砂輪沿齒輪切向進(jìn)給運(yùn)動，Z軸實(shí)現(xiàn)砂輪沿齒輪軸向進(jìn)給運(yùn)動，其中，S、C、Y、Z四軸之間存在如式(1)關(guān)系：

(1)

式中，PC、PS、PY、PZ分別表示這四根軸的位置值；KSC、KYC、KZC分別是S、Y、Z三軸與C軸的位置關(guān)系比例系數(shù)；NS、Nd分別為砂輪頭數(shù)和齒輪齒數(shù)，Mr為齒輪法面模數(shù)，λ為砂輪導(dǎo)程角，β為齒輪螺旋角。

測試機(jī)床傳動鏈性能時(shí)，程序設(shè)定S軸轉(zhuǎn)速為1500rpm，磨削齒輪齒數(shù)為70，齒輪螺旋角為0，砂輪頭數(shù)為1，導(dǎo)程角為20′，通過計(jì)算可知C軸轉(zhuǎn)速為21.4286rpm。用EnDat信號采集卡采集C軸位置信號，IK220計(jì)數(shù)卡采集S、Y、Z三根軸位置信號，并通過EnDat采集卡給IK220發(fā)送同步采樣時(shí)鐘信號，采用Status_idle的16分頻信號作為同步采樣時(shí)鐘信號，IK220在此采樣時(shí)鐘信號的下降沿到來時(shí)鎖存計(jì)數(shù)值，保證了與EnDat接口的編碼器同步鎖存，采樣頻率通過計(jì)算可知為1250Hz。采集的位置信號經(jīng)過該采樣頻率的計(jì)算，得到C軸和S軸的速度如圖10所示。

圖10 EnDat采集卡與IK220同步采集結(jié)果

由圖10可知，C軸的轉(zhuǎn)速和S軸的轉(zhuǎn)速與機(jī)床程序設(shè)定值相同，波動平穩(wěn)，結(jié)果說明EnDat信號采集卡做主卡，傳輸周期信號的分頻時(shí)鐘作為同步采樣時(shí)鐘信號的可行性和正確性。

機(jī)床實(shí)際運(yùn)行過程中，由于傳動鏈誤差的存在，使得C軸與S、Y、Z三軸位置關(guān)系不可能完全相等，通過對這四根軸實(shí)際位置進(jìn)行同步采樣，根據(jù)C軸位置差來分析機(jī)床的傳動鏈性能。C軸的理論位置可通過式(2)計(jì)算得到，C軸位置差由式(3)計(jì)算得到。

(2)

(3)

C軸位置差測試分析結(jié)果如圖11所示，由此可知，該機(jī)床傳動鏈誤差量級大概在0.001°，若以IK220做主卡給Endat采集卡發(fā)送同步采樣時(shí)鐘信號，則采樣脈沖可能出現(xiàn)在status_idle信號一個周期的任意時(shí)刻，與status_idle信號下降沿最大可能相差一個傳輸周期的時(shí)間50μs，當(dāng)C軸轉(zhuǎn)速為21.4286rpm，50μs的時(shí)間C軸將轉(zhuǎn)動0.0064°，比傳動鏈誤差還大，測試數(shù)據(jù)將完全失真。因此，EnDat接口編碼器與正余弦格式等編碼器同步采集時(shí)，EnDat信號采集卡必須作為主卡。

圖11 傳動鏈誤差分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的多卡同步采集方法，并得出以下結(jié)論：①基于三通方式的EnDat信號采集卡與其他采集卡同步采集時(shí)，EnDat采集卡必須作為主卡，向其他類型的采集卡提供同步時(shí)鐘；②獲取了EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期，證明了EnDat主控設(shè)備與編碼器的通信頻率高于EnDat采集卡的最高采樣頻率；③采用EnDat傳輸周期分頻信號作為同步采樣時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)了多卡同步采集。最終，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方案的正確性。其中，EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的獲取也為分頻時(shí)鐘倍率的選擇和數(shù)控機(jī)床傳動鏈性能后續(xù)分析提供了參數(shù)依據(jù)。

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[3]HEIDENHAIN.EnDat2.2-BidirectionalInterfaceforPositionEncoders[EB/OL].http://www.heidenhain.de/fileadmin/pdb/media/img/383942-27_EnDat_2-2_en.pdf.

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[12]ADDI-DATAGmbH.http://addi-data.net/endat-2-2/.Web.

(編輯 李秀敏)

Synchronous Acquisition Method between DAQ Cards Based on EnDat Data Transmission Period

ZHOUKai-taoa,JIANGGe-donga,b,TAOTaoa,b,ZOUChuanga

(a.SchoolofMechanicalEngineering;b.StateKeyLaboratoryforManufacturingSystemsEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

IntheperformancetestofCNCmachinetoolbasedonbuilt-insensors,thereexistsaproblemthatsynchronizationisnotaccuratewhenEnDatencodersignalandtheotherencoderssignalareacquiredbyteeway.AmethodisproposedthatEnDatdataacquisitioncardservesasmaincard,andthefrequencydivisionsignalofEnDatdatatransmissionperiodisusedassampleclocktorealizesynchronousacquisitionbetweenmultipleDAQCards.TheacquisitionofEnDatdatatransmissionperiodandthedesignoffrequencydivisioncircuitwererealizedbasedonCPLD+MCU,whichhavebeenverifiedtobetruethroughanexperimentmadeonanumericalcontrolgeargrindingmachinetoacquireEnDatdatatransmissionperiod.Moreover,themethodfeasibilityofsynchronousacquisitionbetweenmultipleDAQCardsbasedonEnDatdatatransmissionperiodhasbeenprovedinthetestexperimentoftransmissionchainoftheCNCgeargrindingmachine.

EnDatencodersignal;datatransmissionperiod;frequencydivisionsignal;synchronousacquisition

1001-2265(2016)12-0009-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.003

2015-12-31;

2016-01-27

國家科技支撐計(jì)劃：陜西省數(shù)控一代機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用示范工程(2013BAF04B01)

周楷濤(1990—)，男，江西九江人，西安交通大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床性能測試與分析，(E-mail)1184759264@qq.com。

TH166;TG

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