采用SSI協(xié)議實(shí)現(xiàn)的絕對(duì)值編碼器

王　青，俞建定，袁　飛，周彬彬

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211)

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采用SSI協(xié)議實(shí)現(xiàn)的絕對(duì)值編碼器

王青，俞建定，袁飛，周彬彬

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211)

摘要：近年來(lái)，隨著科技和工業(yè)的快速發(fā)展，絕對(duì)值編碼器在其通信技術(shù)方面也在逐步地優(yōu)化與完善，其中SSI協(xié)議的輸出方式在絕對(duì)值編碼器領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛。詳細(xì)闡述了SSI協(xié)議的通信方式，設(shè)計(jì)出硬件電路，并采用Verilog語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了SSI通信協(xié)議。通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，證明了該應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)、性能可靠、通信速度快，具有潛在的市場(chǎng)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：絕對(duì)值編碼器；SSI協(xié)議；Verilog

引用格式：王青，俞建定，袁飛，等. 采用SSI協(xié)議實(shí)現(xiàn)的絕對(duì)值編碼器[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(13)：4-5，9.

0引言

近年來(lái)，編碼器應(yīng)用比較多，主要應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，比如電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量、機(jī)床位置的測(cè)量、起重機(jī)上升距離的測(cè)量等，同時(shí)編碼器在市場(chǎng)上的規(guī)模越來(lái)越大，工業(yè)的需要量也逐步增長(zhǎng)。在未來(lái)的幾十年里，編碼器行業(yè)將會(huì)達(dá)到高速發(fā)展的階段，將會(huì)有更多的編碼器生產(chǎn)廠商參與這場(chǎng)革命的競(jìng)爭(zhēng)。

編碼器是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號(hào)形式的一種設(shè)備，這種信號(hào)可以用來(lái)通訊、傳輸和存儲(chǔ)[1]。編碼器的原理是把這些物理位移變換成熟知的電信號(hào)。按工作性質(zhì)劃分，編碼器可以劃分成兩大類：增量型編碼器和絕對(duì)值編碼器[2]。增量型編碼器主要應(yīng)用在那些精度要求不高的儀器上。而針對(duì)那些精度要求比較高的行業(yè)，一般都是重工業(yè)，比如設(shè)備制造業(yè)、電子工業(yè)等，通常會(huì)采用絕對(duì)值編碼器。因?yàn)榻^對(duì)值編碼器具有啟動(dòng)速度快、數(shù)字編碼、位置唯一等特點(diǎn)，所以它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在各種工業(yè)系統(tǒng)中[3]。隨著儀器儀表越來(lái)越智能化，人們對(duì)編碼器提出功耗低、質(zhì)量好、體積小的要求，希望在絕對(duì)值編碼器的領(lǐng)域中有更多類型的輸出方式，讓越來(lái)越多的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化。

早期的絕對(duì)值編碼器的輸出大多采用并行輸出方式，然而隨著科技的進(jìn)步，絕對(duì)值編碼器的輸出方式也越來(lái)越豐富，出現(xiàn)了比如RS-485、PROFIBUS-DP、CAN、DeviceNet 等現(xiàn)場(chǎng)總線輸出方式、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出方式以及SSI協(xié)議同步串行輸出方式等[4]。這幾種輸出方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。并行輸出適用于短距離傳輸，其價(jià)格比較低廉；現(xiàn)場(chǎng)總線型輸出一般適用于超大規(guī)模的工業(yè)領(lǐng)域中，但是價(jià)格比較昂貴；而模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出方式目前應(yīng)用相對(duì)比較少。這幾種輸出方式比較而言，SSI 串行輸出方式的優(yōu)點(diǎn)比較多，比如抗干擾能力強(qiáng)、接線少，因此市場(chǎng)上應(yīng)用比較廣泛。

1工作原理描述

1.1增量型編碼器工作原理

增量型編碼器的工作原理是先將位移變成具有周期性的電信號(hào)，然后把這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖，通過(guò)這樣的轉(zhuǎn)變，位移就可以通過(guò)脈沖輸出的多少來(lái)測(cè)量[5]。如圖1所示，當(dāng)A相超前B相時(shí)，表示正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)。增量型編碼器主要依靠計(jì)數(shù)來(lái)記憶其位置，但是在突然斷電時(shí)，如果編碼器稍微移動(dòng)，那么再來(lái)電時(shí)，記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移，造成不精確和記憶損失。需要增加參考點(diǎn)，也就是Z相，用參考位置來(lái)處理這些問(wèn)題。但是此類型編碼器每次操作都要先找參考點(diǎn)，抗干擾能力比較差，零點(diǎn)累計(jì)時(shí)也有誤差。如果選用絕對(duì)值編碼器這些問(wèn)題都可以得到解決。

圖1　增量型編碼器工作原理

1.2絕對(duì)值編碼器工作原理

絕對(duì)值編碼器的碼盤(pán)上有很多道光通刻線，它們依次以2線、4線、8線、16線……這樣的方式進(jìn)行排列[6]。這些刻線都有兩面，分別為陰面和陽(yáng)面，通過(guò)讀取每道刻線的通、暗得到一組從20～2n-1的唯一的二進(jìn)制編碼(格雷碼)，這就是n位絕對(duì)值編碼器[7]。每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)具體的數(shù)字，這個(gè)數(shù)字是絕對(duì)唯一的，只與起始和終止有關(guān)，與中間任何過(guò)程都沒(méi)有關(guān)系。當(dāng)遇到突然斷電，重新啟動(dòng)時(shí)不用重新再找參考點(diǎn)和零點(diǎn)，也不用像增量型編碼器那樣重新記錄脈沖的數(shù)目。任何時(shí)候想要知道它的具體位置，都可以去讀取它。這種編碼器的數(shù)據(jù)可靠、不容易受外界影響。

1.3SSI協(xié)議介紹

絕對(duì)值編碼器主要是把需要測(cè)量的位置信息傳輸給主控制系統(tǒng)，然后通過(guò)主控制系統(tǒng)來(lái)發(fā)出控制信號(hào)[8]。以前的絕對(duì)值編碼器大多采用并行輸出，在位數(shù)不多的情況下可以適用，一旦位數(shù)越來(lái)越多，則并行輸出就不適用了，因?yàn)榭偸浅霈F(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、錯(cuò)誤等。比如在傳輸過(guò)程中，只要有一根數(shù)據(jù)線出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)影響到最終傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而影響到絕對(duì)值編碼器的正常工作。所以根據(jù)實(shí)際情況，SSI協(xié)議的輸出方式比較適合。它用串行輸出來(lái)替代并行輸出，通過(guò)采用差分的方式來(lái)提高數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的可靠性，抗干擾明顯增強(qiáng)，同時(shí)為了通信雙方能夠準(zhǔn)確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，故采用同一個(gè)波特率。

圖2　SSI通信協(xié)議

SSI協(xié)議的通信方式如圖2所示。其采用主動(dòng)讀取和接收的方式，包括同步時(shí)鐘信號(hào)CLOCK、數(shù)據(jù)信號(hào)DATA，其中同步時(shí)鐘的頻率決定了數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的速率。在工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域中，通過(guò)實(shí)際傳輸距離的遠(yuǎn)近來(lái)選擇需要的頻率。在同步時(shí)鐘信號(hào)的控制下，從最高位(MSB)開(kāi)始傳送[9]。當(dāng)遇到時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)下降沿時(shí)，在Tp這段時(shí)間內(nèi)，把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，之后遇到時(shí)鐘信號(hào)的每一個(gè)上升沿時(shí)就開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，直到所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完即結(jié)束。然后把數(shù)據(jù)輸出這一端拉至低電平，延長(zhǎng)Tm時(shí)間之后再把數(shù)據(jù)輸出端拉至高電平，準(zhǔn)備等待下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的到來(lái)，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)端都應(yīng)該保持高電平。其中需要發(fā)送數(shù)據(jù)的位數(shù)決定了發(fā)送同步時(shí)鐘的個(gè)數(shù)。圖2中參數(shù)定義如下:T為時(shí)鐘頻率,Tp為數(shù)據(jù)之間傳輸間隔，Tm為單穩(wěn)觸發(fā)時(shí)間，n為傳輸位數(shù)，MSB為最高有效位，LSB為最低有效位。

2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

主控制器可以選擇51單片機(jī)、RAM微處理器和CPLD邏輯器件。單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是運(yùn)行速度很慢，處理速度有限，抗干擾能力也不是很強(qiáng)；RAM微處理器功能強(qiáng)大，但是開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴。要想高速傳輸，采用CPLD設(shè)計(jì)比較靈活，其處理速度比較快，抗干擾能力也很強(qiáng)，并且設(shè)計(jì)時(shí)用到大量的時(shí)序和邏輯運(yùn)算。

2.1硬件設(shè)計(jì)

SSI電路的輸入和輸出都采用差分方式，如圖3所示，有4根信號(hào)線: CLK+、CLK-、DATA+、DATA-，其中CLK+和CLK-為時(shí)鐘輸入端，DATA+和DATA-為數(shù)據(jù)輸出端。時(shí)鐘輸入端的接收采用光耦，數(shù)據(jù)端的輸出采用422輸出芯片。

圖3　SSI電路設(shè)計(jì)框圖

2.2軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于軟件部分的設(shè)計(jì)，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)SSI協(xié)議，一種方法是用單片機(jī)模擬SSI通信，另外一種是用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)SSI通信。用單片機(jī)模擬的關(guān)鍵技術(shù)主要包括兩個(gè)方面：同步時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)確獲取和數(shù)據(jù)起始位的準(zhǔn)確判斷[10]。很明顯，這需要輸入端口和輸出端口，另外還需要一個(gè)定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。在輸入端口捕獲時(shí)鐘的上升脈沖，遇到時(shí)鐘的第一個(gè)下降脈沖時(shí)定時(shí)器開(kāi)始工作。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)定時(shí)器需要復(fù)位重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。軟件流程圖如圖4所示。

用單片機(jī)來(lái)模擬SSI通信，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是通信速度會(huì)受到約束。所以要想實(shí)現(xiàn)高速通信必須采用CPLD。CPLD的軟件部分設(shè)計(jì)可以分為兩個(gè)部分，一部分是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在外加脈沖的作用下，可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。它的輸入為同步時(shí)鐘上升沿，在一段時(shí)間內(nèi)如果沒(méi)有遇到上升脈沖，則將輸出信號(hào)復(fù)位。另一部分是一個(gè)并入串出的移位寄存器，在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖4　程序流程圖

輸出復(fù)位信號(hào)后，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存入寄存器，繼續(xù)等待下一個(gè)周期的移位時(shí)鐘。并串轉(zhuǎn)換的寄存器用Verilog語(yǔ)言描述如下：

Always@ (posedge clock or posedge load)

Begin

If(load==1.b1)

Out<=indata[24: 0];

Else

Out[24: 0]<=Out{[23: 1], 1.b0}

End

3結(jié)論

本文分別從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)值編碼器的SSI通信協(xié)議，設(shè)計(jì)出的SSI通信板，成功與西門(mén)子S7-300系列PLC配置的SM338模塊進(jìn)行通信，PLC能夠正確讀出碼值。根據(jù)市場(chǎng)分析，在工業(yè)控制領(lǐng)域中，具有SSI協(xié)議的絕對(duì)值編碼器實(shí)用性比較強(qiáng)，應(yīng)用比較多，因此本文的研究具有潛在的市場(chǎng)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張麗娟.關(guān)于電氣傳動(dòng)設(shè)備手動(dòng)控制增加自動(dòng)模式方法[J].陰山學(xué)刊(自然科學(xué)版),2013,27(1):81-83.

[2] 王仲亮,楊廣,薛秀生,等.基于RS485總線的多編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制及改進(jìn)驗(yàn)證[J].測(cè)控技術(shù),2014,33(11):144-145，149.

[3] 韋鳳. 淺談光電編碼器的應(yīng)用[J].科技風(fēng),2014(6):97.

[4] 陳志同. 基于SSI協(xié)議的絕對(duì)值編碼器通信接口研究[D].天津：天津理工大學(xué),2014.

[5]肖博,李劍鋒,陳洪芳,等.多通道絕對(duì)式光電編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(1):27-29.

[6] 彭雨. 基于FPGA的絕對(duì)式光電編碼器通信接口研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2008.

[7] 王文. 基于平臺(tái)羅經(jīng)的穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)研究[D].成都：電子科技大學(xué),2009.

[8] 胡東軒. 永磁交流伺服系統(tǒng)多種位置檢測(cè)與集成方法研究[D].杭州：浙江理工大學(xué),2014.

[9] 靳紅濤,趙勇進(jìn),陳朝基,等. 一種SSI接口光電編碼器數(shù)據(jù)并行采集設(shè)計(jì)方法[J].電子技術(shù),2008,45(5):23-25.

[10] 聶旭中. 編碼器用SSI協(xié)議及實(shí)現(xiàn)[J].洛陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2010,29(2):73-75.

中圖分類號(hào)：TM33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.13.002

(收稿日期：2016-03-01)

作者簡(jiǎn)介：

王青(1990-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用。

俞建定(1968-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師， 主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用。

袁飛(1992-)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用。

The implementation of absolute encoders using SSI protocol

Wang Qing，Yu Jianding，Yuan Fei,Zhou Binbin

(Institute of Information Science and Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Abstract:In recent years, with the rapid development of science and industry technology, absolute encoder in its communication technology is also in the gradual optimization and improvement, in which the output mode of the SSI protocol is widely used in the field of absolute encoder. This paper describes communication ways of the SSI protocol in detail, designs a practical circuit, using verilog language to achieve the SSI communication protocol. The test results show that the proposed system has strong anti-interference, reliable performance and fast communication, and has potential market value.

Key words:absolute encoder; SSI protocol; Verilog