Hengstler常用編碼器通信協(xié)議解析

無論用于捕捉物理運動的方式如何，Hengstler技術(shù)人員要強調(diào)的一點：編碼器獲取的信息都必須發(fā)送給控制器，這是由將原始脈沖轉(zhuǎn)換為傳輸協(xié)議的另一編碼層實現(xiàn)的。

物理連接會影響協(xié)議的選擇及其操作。通常，協(xié)議是同步的，即使用時鐘信號或異步（不使用時鐘信號）。此外，物理連接可以不對稱，也可以差動以使其更堅固。這種組合有四種選擇。含蓋這些選項的最常用協(xié)議是串行外圍接口（或SPI、單端、同步）、RS-485（TIA/EIA-485，也稱為差動、異步）和同步。串行接口（或SSI、差動、同步）。

SSI通信協(xié)議

SSI通訊協(xié)議為縮寫，其全稱為同步串行接口( Synchronous Serial interface )。 SSI通訊的幀格式如圖1所示，數(shù)據(jù)傳輸采用同步方式，在空閑階段不發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候時鐘和數(shù)據(jù)都保持高電位，在第一個脈沖的下降沿觸發(fā)Hengstler編碼器載入發(fā)送數(shù)據(jù)，然后每一個時鐘脈沖的上升沿編碼器送出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的高位在前，低位在后，當(dāng)傳送完所有的位數(shù)以后時鐘回到高電平，數(shù)據(jù)也對應(yīng)回到高電平。



圖中有幾個參數(shù)定義如下:

T為時鐘的脈沖頻率，介為數(shù)據(jù)傳輸間隔. Tm為單穩(wěn)觸發(fā)時間.N為為傳輸位數(shù).傳輸?shù)奈粩?shù)可以是任意的，但實際使用中單圈編碼器采用13位，多圈采用25位.對于從方編碼器而言是無法事先知道主方發(fā)送的時鐘脈沖個數(shù)的，因而無法確定幀的起始位和停止位.解決問題的方法是采用高電位保持一段的時間內(nèi)沒有變化作為幀結(jié)束標(biāo)志.Tm單穩(wěn)時間就是指這個時間.在實際應(yīng)用中可以采用一個單穩(wěn)(軟件或者硬件)，把時鐘輸人作為單穩(wěn)的輸入，通過單穩(wěn)輸出控制SSI的數(shù)據(jù)輸出狀態(tài):單穩(wěn)一旦置位，SSI的輸出狀態(tài)就要回到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備開始下一個數(shù)據(jù)的循環(huán)過程。

BISS通信協(xié)議

BiSS通信協(xié)議是一種全雙工同步串行總線通信協(xié)議，專門為滿足實時、雙向、高速的傳感器通信而設(shè)計，在硬件上兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SSI(同步串行接口協(xié)議)總線協(xié)議。其典型應(yīng)用是在運動控制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)伺服驅(qū)動器與亨士樂編碼器通信。BiSS由德國IC-HAUS公司開發(fā)，現(xiàn)已成為傳感器通信協(xié)議的國際化標(biāo)準(zhǔn)。BiSS通信協(xié)議目前的版本是BISS-C。

關(guān)鍵技術(shù)特征：

1、二線串行同步數(shù)據(jù)總線，采用RS422接口，波特率達(dá)到10Mbit/s；采用LVDS接口， 波特率>10Mbit/s，這反映了BiSS有高的響應(yīng)速度;

2、通信效率高，每10uS傳輸超過64個比特，有效負(fù)載率大于80%。這反映出BiSS能承載高分辨率編碼器數(shù)據(jù);

3、線時分復(fù)用，包括每個通信周期傳輸一幀的數(shù)據(jù)通信信道和傳輸一個幀位的寄存器通信信道。其中，寄存器通信和數(shù)據(jù)通信完全獨立，互不干涉。對于不需要寄存器通信的應(yīng)用場合，可以使用BiSS-C Unidirectional版本。這個版本的協(xié)議沒有寄存器通信。這反映了采用BiSS的控制系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性和便利性。

4、多種安全機制確保數(shù)據(jù)可靠，BiSS的延遲補償技術(shù)能補償傳輸線帶來的信號延遲，采用兩組CRC生成多項式分別對傳感器數(shù)據(jù)與寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。BiSS協(xié)議幀還包括一位報警位和一位錯誤位，CRC生成多項式可自定義。這反映了BiSS傳輸可靠，采用BiSS的控制系統(tǒng)可靠。

5、數(shù)據(jù)同步，BiSS利用時鐘信號同步傳感器數(shù)據(jù)，傳感器在第一個時鐘脈沖到來時進(jìn)行數(shù) 據(jù)更新，每一幀到達(dá)后續(xù)電子設(shè)備的數(shù)據(jù)其傳輸延遲都是相同的，方便后續(xù)電子設(shè)備進(jìn)行時延補償，特別適合電機控制等對時間位置關(guān)系要求苛刻的應(yīng)用場合。這反映BiSS對于Hengstler編碼器精度的影響很小，有助于提高控制系統(tǒng)的高速特性。

6、組網(wǎng)能力，通過BiSS可以構(gòu)成單總線傳感器環(huán)網(wǎng)，一個通信周期采集全部傳感數(shù)據(jù)，并且信號采集是同步的。這反映BiSS的擴展性和前瞻性。

7、即插即用，BiSS支持從寄存器讀出編碼器參數(shù)，來配置數(shù)據(jù)通信。凡是支持BiSS標(biāo)準(zhǔn)EDS和Profile的編碼器和控制系統(tǒng)都可以直接通信，無需修改任何程序。



圖中是BiSS的基本組網(wǎng)方式，叫point-to-point方式。后續(xù)電子設(shè)備(圖中為PLC)通過差分信號向傳感器提供時鐘，傳感器同步地通過差分信號向后續(xù)電子設(shè)備發(fā)出傳感數(shù)據(jù)。在BiSS協(xié)議中后續(xù)電子設(shè)備被稱為Master，傳感器被稱為Slave。在point-to-point方式下，Master可以接收Slave的數(shù)據(jù)，同時與Slave進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。



描繪了point-to-point組網(wǎng)時的BiSS通信幀。MA由Master發(fā)出用于驅(qū)動通信，SL是Slave發(fā)出的數(shù)據(jù)信號。完成1個BiSS通信幀表示Master收到1幀數(shù)據(jù)。

EnDat協(xié)議

EnDat接口是HEIDENHAIN專為編碼器設(shè)計的數(shù)字式、全雙工同步串行的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它不僅能為增量式和絕對式編碼器傳輸位置值，同時也夠傳輸或更新存儲在編碼器中的信息，或保存新的信息。由于使用了串行傳輸方式，所以只需四條信號線，在后續(xù)電了設(shè)備的時鐘激勵下，數(shù)據(jù)信息被同步傳輸。數(shù)據(jù)類型(位置值、參數(shù)、診斷信息等)由后續(xù)電子設(shè)備發(fā)送給編碼器的模式指令選擇決定。

特點：

1. 傳輸位置值與附加信息可同時傳輸；附加信息的類型可通過存儲地址選擇碼選擇。

2. 編碼器數(shù)據(jù)存儲區(qū)域包括編碼器制造商參數(shù)、OEM廠商參數(shù)、運行參數(shù)、運行狀態(tài)，便于系統(tǒng)實現(xiàn)參數(shù)配置。

3. EnDat2.2編碼器實現(xiàn)了全數(shù)字傳輸，增量信號的處理在編碼器內(nèi)部完成(內(nèi)置14Bit細(xì)分)，提高了信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性，可實現(xiàn)更高的分辨率。

4. 監(jiān)控和診斷功能，報警條件包括:光源失效、信號幅值不足、位置計算錯誤、運行電壓太低或太高、電流消耗太大等；當(dāng)Hengstler編碼器的一些極限值被接近或超過時提供警告信號。

5. 更寬的電壓范圍(3.6-14V)和傳輸速率(16M）。



EnDat接口編碼器數(shù)據(jù)采集原理圖



數(shù)據(jù)傳輸格式

在每一幀同步數(shù)據(jù)傳輸時一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送，傳輸循環(huán)從時鐘的第一個下降沿開始測量值被保存，計算位置值。在兩個時鐘脈沖(2T)后，后續(xù)電子設(shè)備發(fā)送模式指令“編碼器傳輸位置值”(帶或不帶附加信息)。

在計算出了絕對位置值后，從起始位開始編碼器向后續(xù)電子設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，后續(xù)的錯誤位F1和F2(只存在于EnDat2.2指令中)是為所有的監(jiān)控功能和故障監(jiān)控服務(wù)的群組信號，他們的生成相互獨立，用來表示可能導(dǎo)致不正確位置信息的編碼器故障導(dǎo)致故障的確切原因保存在“運行狀態(tài)”存儲區(qū)，可以被后續(xù)電了設(shè)備查詢。

從最低位開始，絕對位置值被傳輸，數(shù)據(jù)的長度由使用的亨士樂編碼器類型決定。傳輸位置值所需的時鐘脈沖數(shù)保存在編碼器制造商的參數(shù)中。位置值數(shù)據(jù)的傳輸以循環(huán)冗余檢測碼結(jié)束。

HIPERFACE協(xié)議

HIPERFACE是高性能接口（High Performance Interface）的縮寫，是SICK-STEGMANN電機反饋系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口。該接口專為數(shù)字驅(qū)動控制而研發(fā)，為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)化的簡化型機械和電氣接口。

特點：

1、僅在速度控制器上配備一個電氣接口，適用于所有應(yīng)用。速度控制器和電機反饋系統(tǒng)間只需使用同一類型電纜進(jìn)行連接。

僅通過一個電氣接口即可實現(xiàn)低端及高端應(yīng)用。

2、混合接口

模擬量過程數(shù)據(jù)通道上的混合接口:正弦信號和余弦信號通過該接口進(jìn)行差分傳輸，且?guī)缀鯖]有延遲。

雙向參數(shù)通道上的混合接口(與RS485規(guī)格一致):用于傳輸絕對位置信息和其他各種參數(shù)。

3、僅8條電線。

4、配備電子類型標(biāo)簽，用于識別電機反饋及存儲電機反饋系統(tǒng)中的驅(qū)動相關(guān)信息。

5、寬溫度范圍，具有較強的耐沖擊和抗振動性能，抗電磁干擾。具有緊湊的尺寸，可安裝于伺服電機內(nèi)部。

6、模擬量正弦/余弦信號可進(jìn)行速度控制，低速應(yīng)用時可提供較高分辨率，高速控制時可提供足夠低的信號帶寬。

7、電纜長度最大為100 m

8、在機械齒輪應(yīng)用的位置控制方面，具有相同物理尺寸的電機反饋系統(tǒng)可作為絕對式多圈型編碼器使用，絕對定位高達(dá)4096轉(zhuǎn)。

HIPERFACE電機反饋系統(tǒng)同時使用了增量型編碼器和絕對型編碼器，兼具這兩種編碼器的優(yōu)點。

首先，絕對位置值僅當(dāng)設(shè)備通電并與控制器里的外部計數(shù)器通信時才產(chǎn)生，一一通過與RS485規(guī)格相符的基于總線的參數(shù)接口—增量計數(shù)器在這絕對位置值基礎(chǔ)上，對模擬量正弦/余弦信號進(jìn)行增量計數(shù)。使用高線性的正弦和余弦信號可獲得速度控制所需的高分辨率(反正切在控制器中形成)。然而，此時傳輸?shù)男盘栴l率仍然相對較低。例如:每轉(zhuǎn)512周期，即使是在12000 rpm轉(zhuǎn)速時頻率也僅為102.4kHz，這樣即使是長距離也可輕松傳輸。



數(shù)據(jù)格式

異步接口的數(shù)據(jù)基本格式如下:

1個起始位

8個數(shù)據(jù)位(最低有效位在前)

1個停止位

可設(shè)置的奇偶性:奇，偶，無

可設(shè)置的波特率:600,  1200, 2400, 4800, 4800, 9600,  19200,  38400波特

參數(shù)通常預(yù)設(shè)為:

9600波特

奇偶性二1(如果數(shù)據(jù)位的總和為奇數(shù))

多摩川協(xié)議

多摩川絕對式編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)單圈23bit多圈16bit總計39bit的高解析度。

數(shù)據(jù)通訊是基于485硬件接口標(biāo)準(zhǔn)NRZ協(xié)議，通訊波特率為2.5M的串行通訊。CRC循環(huán)循環(huán)冗余校驗數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)出錯導(dǎo)致異常的問題發(fā)生。通訊距離可達(dá)到20米。



Hengstler編碼器具備狀態(tài)自檢功能，對于電池欠壓、失效、編碼器計數(shù)錯誤、過速度、碼盤故障等可通過編碼器狀態(tài)位讀取出來。

控制器或驅(qū)動器可通過單獨的指令對單圈數(shù)據(jù)或多圈重置零位，可清除故障標(biāo)志位。

內(nèi)置768字節(jié)EEPROM，可擦寫一萬次以上，可用于存儲電機相關(guān)信息，對于伺服驅(qū)動器對電機參數(shù)的自動識別提供了可行的途徑。

多摩川串行絕對編碼器通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

串行波特率：2.5M

起始位：1bit

停止位：1bit

數(shù)據(jù)位：8bit

讀取編碼器單圈、多圈、全部數(shù)據(jù)、及復(fù)位狀態(tài)：

只需發(fā)送一個字節(jié)控制數(shù)據(jù)。



編碼器應(yīng)答數(shù)據(jù)：

包括接收到的控制字，及編碼器狀態(tài)字、編碼器ID（能夠識別編碼器基本類型），及編碼器數(shù)據(jù)。最后一個字節(jié)為對前面所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗。



讀取編碼器內(nèi)部EEPROM數(shù)據(jù)：

需發(fā)送三個字節(jié)數(shù)據(jù)，讀取EEPROM數(shù)據(jù)控制字、EEPROM數(shù)據(jù)地址、CRC效驗碼。



編碼器應(yīng)答數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)：

結(jié)構(gòu)包括EEPROM數(shù)據(jù)控制字、EEPROM數(shù)據(jù)地址、EEPROM數(shù)據(jù)、CRC效驗碼。



讀取一次編碼器全部數(shù)據(jù)需要60μS左右。為伺服電機提供高速度位置響應(yīng)提供了可能。



版權(quán)聲明：本文為CSDN博主「hudawang_li」的原創(chuàng)文章。
原文鏈接：https://blog.csdn.net/hudawang_li/article/details/79626611

協(xié)議的選擇有很多考慮事項。它們最初提供了一定程度的互操作性，特別是在工業(yè)電機控制等電噪聲較大的應(yīng)用程序中，還提高了通信信道的健壯性。但是，這又產(chǎn)生了一個問題：哪個協(xié)議最適合特定的應(yīng)用程序。

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