基于DSP的絕對(duì)式光電編碼器串行接口設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)SSI接口的絕對(duì)式光電編碼器在電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)位置的檢測(cè)，采用了DSP芯片TMS320F2812的通用I／O口模擬SSI接口與絕對(duì)式編碼器之間的通信，編寫(xiě)了模擬SSI接口通信時(shí)序程序并做了絕對(duì)式編碼器位置檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲得了絕對(duì)式編碼器全范圍的輸出值，單圈數(shù)值為0～25536，經(jīng)4 096圈可輸出范圍0～268 435 456數(shù)值。得到了絕對(duì)式編碼器在電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)位置精確采集和精確控制以及利用通用I／O口，實(shí)現(xiàn)SSI接口通信，其具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、易維護(hù)、位置檢測(cè)精確以及可替代專(zhuān)用解碼芯片的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：絕對(duì)編碼器；DSP；串行通信SSI；TMS320F2812

0 引言
在電機(jī)伺服系統(tǒng)中，通常需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信息作為閉環(huán)控制的反饋信號(hào)，對(duì)高精度伺服系統(tǒng)而言，位置反饋環(huán)節(jié)的檢測(cè)精度直接影響伺服系統(tǒng)的性能，常用的位置檢測(cè)裝置有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。旋轉(zhuǎn)變壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性和防護(hù)等級(jí)高的優(yōu)點(diǎn)，但其解碼復(fù)雜、專(zhuān)用解碼芯片昂貴以及對(duì)電磁干擾敏感等缺點(diǎn)限制了其發(fā)展，現(xiàn)已逐漸被光電編碼器取代。光電編碼器有增量式和絕對(duì)式兩種，增量式光電編碼器精度比較低，其輸出的A，B正交信號(hào)易受電磁干擾和機(jī)械抖動(dòng)引起誤計(jì)數(shù)，導(dǎo)致位置定位有誤，且其無(wú)掉電記憶功能。絕對(duì)式光電編碼器具有精度高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、具有掉電記憶功能等特點(diǎn)，因此，絕對(duì)式光電編碼器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、機(jī)器人、精密機(jī)床和高精度伺服系統(tǒng)等對(duì)精度要求比較高的場(chǎng)合。
絕對(duì)式編碼器的信號(hào)輸出形式有并行和串行兩種，其中串行輸出以SSI接口(同步串行接口)數(shù)據(jù)連線少、可靠度高的性能優(yōu)勢(shì)而得到較多應(yīng)用。但是由于采用串行輸出方式會(huì)導(dǎo)致較大的傳輸延遲，這就對(duì)串行通信的速度和可靠性有比較高的要求。絕對(duì)式編碼器的應(yīng)用需要專(zhuān)用的處理芯片，芯片的價(jià)格十分昂貴，有人采用CPLD、FPGA等硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器串行數(shù)據(jù)的處理，這無(wú)疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。本文介紹了以DSP芯片TMS320F2812為核心，針對(duì)意大利LIKA公司的HMCT／16／4096／BA絕對(duì)式光電編碼器進(jìn)行了SSI接口電路和軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)DSP的通用I／O口與編碼器之間的通信。

1 絕對(duì)式光電編碼器
意大利LIKA公司的HMCT／16／4096／BA絕對(duì)式光電編碼器為單圈分辨率16位(65 536)且圈數(shù)12位(4 096)的多圈高精度編碼器，其分辨率可達(dá)0．001 5％；輸出電路形式為SSI等幾種輸出方式；輸出碼制為格雷碼和二進(jìn)制碼可選；軸心(軸向和徑向)負(fù)載最大為40 N；軸心旋轉(zhuǎn)速度最大6 000 r／m；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約95 g·cm2；供電電壓10～30 V；功耗1 W；輸出電流最大為40 mA；存儲(chǔ)溫度范圍：-40～100℃；工作溫度范圍：-20～85℃；保護(hù)等級(jí)：IP65；質(zhì)量：0．3 kg。電氣連接方式：EML121H接頭，連接器引線如表1所示。其中，Brown／Green為供電電壓正，White／Green為供電電壓負(fù)，本方案中除用到供電電壓信號(hào)外，只用了其中的CLOCK+，CLOCK-，DATA+和DATA-信號(hào)。

2 SSI接口及SSI協(xié)議介紹
SSI接口光電編碼器采用主機(jī)主動(dòng)讀取方式，是以2對(duì)符合RS 422電平的信號(hào)線進(jìn)行信號(hào)傳輸，1對(duì)數(shù)據(jù)(Data)線，1對(duì)同步時(shí)鐘(Clock)線。SSI同步時(shí)鐘頻率決定數(shù)據(jù)傳輸速率，其范圍較寬為0．1～2 MHz，可以根據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)近選擇相應(yīng)的傳輸速率，傳輸速率自適應(yīng)。SSI數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖1所示，在同步時(shí)鐘控制下，從最高有效位(MSB)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)下降沿，如“1”位置，編碼器的當(dāng)前位置值被儲(chǔ)存，在隨后的時(shí)鐘上升沿，如“2”位置，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被送出，即最高有效位MSB被送出，以后依次送出其他有效位數(shù)，直到最低有效位LSB被送出，最后一個(gè)由低到高電平的跳變，如“3”的位置，輸出傳輸周期結(jié)束，再經(jīng)Tm時(shí)間后編碼器進(jìn)入下一個(gè)傳輸周期。圖中T為同步時(shí)鐘周期，Tm為脈沖序列結(jié)束保持高電平時(shí)間(Tm>T)，如果位數(shù)小于25位，要用“0”填充補(bǔ)齊，具體補(bǔ)零位置見(jiàn)參考文獻(xiàn)中的“樹(shù)形(TR EE)數(shù)據(jù)對(duì)齊格式”和“LSB位右對(duì)齊格式”。