作者：Jens Sorensen and Richard Anslow

旋轉編碼器廣泛用于工業自動化系統。這種類型的編碼器的典型用途是用于電機，其中編碼器連接到旋轉軸，從而為控制系統提供反饋。雖然編碼器的主要用途是角位置和速度測量，但系統診斷和參數配置等附加功能也很常見。圖1顯示了一個電機控制信號鏈，該信號鏈使用RS-485收發器和微處理器連接絕對編碼器（ABS編碼器）從機和工業伺服驅動器主站，用于交流電機的閉環控制。

伺服驅動器和ABS編碼器之間的RS-485通信鏈路通常需要高達16 MHz的高數據速率和低傳播延遲時序規格。RS-485電纜通常最長可達50米，但在某些情況下可能長達150米。電機控制編碼器應用是具有挑戰性的數據通信環境，因為電噪聲和長電纜會影響RS-485信號的完整性。本文重點介紹使用ADI公司50 Mbps （25 MHz）ADM3065E RS-485收發器和ADSP-CM40x混合信號控制處理器的電機控制應用的主要優勢。

圖1.使用RS-485在絕對編碼器從機到伺服驅動主站之間連接，以實現交流電機的閉環控制。

ADM3065E RS-485收發器專為在電機控制編碼器等惡劣環境中可靠工作而設計，具有更高的抗擾度和（IEC） 61000-4-2靜電放電（ESD）魯棒性。

抗噪性

RS-485信令具有平衡、差分和固有的抗噪聲功能。系統噪聲平均耦合到RS-485雙絞線電纜中的每根電線。一個信號發出與另一個信號相反的信號，耦合到RS-485總線上的電磁場相互抵消。這減少了系統的電磁干擾（EMI）。此外，增強型ADM3065E 2.1 V 驅動強度可在通信中實現更高的信噪比 （SNR）。使用ADuM141D可以輕松實現為ADM3065E添加信號隔離。ADuM141D是一款基于ADI耦合器技術的四通道數字隔離器。ADuM141D的工作速率高達150 Mbps，適合與50 Mbps ADM3065E RS-485收發器配合使用（見圖2）。直接功率注入 （DPI） 測量器件抑制注入電源或輸入引腳的噪聲的能力。ADuM141D中使用的隔離技術已經過DPI IEC 62132-4標準的測試。ADuM141D抗噪性能優于同類產品。ADuM141D在整個頻率范圍內保持出色的性能，但其他隔離產品在200 MHz至700 MHz頻段內會出現誤碼。

圖2.信號隔離、50 Mbps RS-485解決方案（簡化圖—未顯示所有連接）。

IEC 61000-4-2 靜電放電性能

裸露的RS-485連接器上的ESD以及編碼器到電機驅動器的電纜是一種常見的系統危險。與可調速電力驅動系統的EMC抗擾度要求相關的系統級IEC 61800-3標準要求至少±4 kV接觸/±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護。ADM3065E具有±12 kV接觸/±12 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護，超過了這一要求。圖 3 顯示了 IEC 61000-4-2 標準的 8 kV 接觸放電電流波形與人體模型 （HBM） ESD 8 kV 波形的比較。圖4顯示，這兩個標準規定了不同的波形形狀和峰值電流。與 IEC 61000-4-2 8 kV 脈沖相關的峰值電流為 30 A，而 HBM ESD 的相應峰值電流在 5.33 A 時小于 5× 以上。另一個區別是初始電壓尖峰的上升時間，與HBM ESD波形相關的10 ns相比，IEC 61000-4-2 ESD的上升時間快得多，為1 ns。與IEC ESD波形相關的功率遠大于HBM ESD波形的功率。HBM ESD 標準要求被測設備 （EUT） 經受 3 次正放電和負放電，而相比之下，IEC ESD 標準要求 10 次正放電和 10 次負放電測試。具有IEC 61000-4-2 ESD額定值的ADM3065E更適合在惡劣環境中工作，而其他RS-485收發器具有不同級別的HBM ESD保護。

圖3.IEC 61000-4-2 ESD 波形在 8 kV 時與 HBM ESD 波形在 8 kV 時的比較。

恩達特通信協議

編碼器使用了許多通信協議;例如EnDat，BiSS，HIPERFACE和Tamagawa。盡管存在差異，但編碼器通信協議在實現方面有相似之處。這些協議的接口是符合RS-422或RS-485電氣規范的串行雙向管道。雖然硬件層存在共性，但運行每個協議所需的軟件是獨一無二的。通信堆棧和所需的應用程序代碼都特定于協議。本文重點介紹 EnDat 2.2 接口主端的硬件和軟件實現。

延誤的影響

延遲分為兩類：第一類是電纜的傳輸延遲，第二類是收發器的傳播延遲。光速和電纜的介電常數決定了電纜延遲，典型數字為6 ns/m至10 ns/m。當總延遲超過半個時鐘周期時，主站和從站之間的通信中斷。此時，設計器具有以下選項：

降低數據速率

降低傳播

在主機側引入延遲補償

選項 3 可補償電纜延遲和收發器延遲，因此是確保系統能夠在長電纜上以高時鐘速率運行的有效方法。缺點是延遲補償增加了系統復雜性。在無法進行延遲補償的系統中，或者在具有短電纜的系統中，使用具有短傳播延遲的收發器的價值是顯而易見的。低傳播延遲可實現更高的時鐘速率，而無需在系統中引入延遲補償。

主實現

主實現由串行端口和通信堆棧組成。由于編碼器協議不符合標準端口（如UART），因此無法使用大多數通用微控制器上的外設。相反，FPGA的可編程邏輯支持在硬件中實現專用通信端口，并支持延遲補償等高級功能。雖然FPGA方法很靈活，可以根據應用進行定制，但它也有缺點。與處理器相比，FPGA成本高、功耗高，上市時間長。

本文討論的EnDat接口的實現是在ADI公司的ADSP-CM40x上完成的，ADI公司是一款面向電機控制驅動器的處理器。除了用于電機控制的外設，如脈寬調制器（PWM）定時器、模數轉換器（ADC）和sinc濾波器，ADSP-CM40x還具有高度靈活的串行端口（SPORT）。

這些SPORT能夠模擬許多協議，包括EnDat和BiSS等編碼器協議。由于ADSP-CM40x具有豐富的外設集，因此可以執行高級電機控制，也可以與具有相同器件的編碼器接口。換句話說，消除了對FPGA的需求。

測試設置

EnDat 2.2 測試設置如圖 4 所示。EnDat 從站是科爾摩根 （AKM22） 的標準伺服電機，軸上安裝了 EnDat 編碼器 （ENC1113）。三對電線（數據線、時鐘線和電源線）將編碼器連接到收發器板。EnDat PHY上的編碼器有兩個收發器和電源。其中一個收發器用于時鐘，另一個收發器用于數據線。EnDat 主站通過 ADSP-CM40x 使用標準外設和軟件的組合實現。發射端口和接收端口都是通過靈活的 SPORT 實現的。

圖4.實驗設置。

EnDat 協議由許多不同長度的不同幀組成。但是，這些幀都基于相同的序列，如圖 5 所示。首先，主站向從站發出命令，然后從站處理命令并執行必要的計算。最后，從站將結果發送回主站。

圖5.EnDat 發送/接收序列。

發送時鐘（Tx CLK）由處理器ADSP-CM40x產生。由于系統中的延遲，來自編碼器的數據在返回處理器之前將與傳輸時鐘異相。為了補償傳輸延遲，t延遲，處理器還發出接收時鐘（Rx CLK），延遲 t延遲與傳輸時鐘相比。使接收時鐘與從站接收的數據同相是補償傳輸延遲的有效方法。

來自處理器的時鐘信號是連續的，而EnDat協議規定時鐘只能在通信期間應用于編碼器。在所有其他時間，時鐘線必須保持高電平。為此，處理器生成時鐘使能信號CLK EN，該信號饋送到ADM3065E的數據使能引腳。正好兩個時鐘周期（2T）后，主站開始在Tx DATA上輸出命令。

該命令的長度為 6 位，后跟兩個 0 位。為了控制通過收發器的數據方向，處理器在傳輸時將位 Tx/Rx EN 設置為高電平。

當從站準備響應時，系統進入等待狀態，主站繼續應用時鐘，但數據線處于非活動狀態。當從站準備好響應時，數據線接收數據被拉高，然后立即發送響應。在收到n位響應后，主機通過將CLK EN信號設置為低電平來停止時鐘。同時，ENC CLK信號變為高電平。數據流是半雙工的，組合數據線上的流量顯示為 ENC 數據。

圖6.EnDat 數據交換。

審核編輯：郭婷