【正文】 夠很大程度降低系統(tǒng)成本，同時(shí)還提升了技術(shù)水準(zhǔn)，與普通編碼器相比較具有以下特點(diǎn)[40]。(1)高性能低成本只要一個(gè)接口就能實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的雙向傳輸，內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)部件和接收芯片簡(jiǎn)化了后續(xù)電子設(shè)備。連接件小，減小了系統(tǒng)尺寸，提高了系統(tǒng)靈活性。同時(shí)由于不需要遙控傳感信號(hào)，因此直接采用系統(tǒng)電源供電，簡(jiǎn)單也更經(jīng)濟(jì)。使用過程中，能快速配置系統(tǒng)，零點(diǎn)可根據(jù)編碼器內(nèi)的偏移量設(shè)置，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。(2)更好的實(shí)用性所有必要的信息都保存在編碼器中，方便開機(jī)后對(duì)系統(tǒng)的配置。每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都帶有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，通過CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)功能提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)編碼器具有豐富的診斷、監(jiān)控功能，無(wú)需附加數(shù)據(jù)線就可以使接口具有診斷系統(tǒng)錯(cuò)誤信息和報(bào)警信息的功能，當(dāng)位置計(jì)算錯(cuò)誤、信號(hào)幅值不足或編碼器的一些極限值被接近或超過時(shí)，編碼器會(huì)向后續(xù)電子設(shè)備發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)警信息，微控制器檢測(cè)到錯(cuò)誤標(biāo)志位即可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。(3)更好的信號(hào)質(zhì)量編碼器位置數(shù)據(jù)格式支持更短的采樣周期，整個(gè)“讀寫”周期只有25μs,后續(xù)電子設(shè)備只要10μs的時(shí)間就能得到位置值，而且不影響系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間。同時(shí)EnDat數(shù)字接口可以傳輸絕對(duì)位置值和附加信息，并能讀取和寫入編碼器內(nèi)存。傳輸位置時(shí)可以選擇帶或不帶附加信息，后續(xù)電子設(shè)備還能通過選擇不同的存儲(chǔ)區(qū)選擇碼請(qǐng)求獲得不同的附加信息，并能執(zhí)行其功能，內(nèi)部特別的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)精度。(4)高安全性EnDat編碼器實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字傳輸，增量信號(hào)的處理在編碼器內(nèi)部完成，減少了外部干擾。位置信息包含一個(gè)起始標(biāo)志位和兩個(gè)獨(dú)立的錯(cuò)誤信息位，后續(xù)電子設(shè)備可以完成數(shù)據(jù)的校驗(yàn)及應(yīng)答，提高了系統(tǒng)的安全性。 EnDat接口與SSP接口位置反饋信號(hào)采集電路EnDat支持串行數(shù)據(jù)傳輸，后續(xù)電子設(shè)備生成的時(shí)鐘脈沖與數(shù)據(jù)傳輸同步。 編碼器與后續(xù)電子設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸原理圖由上圖可見，EnDat接口和后續(xù)電子設(shè)備支持差分信號(hào)傳輸方式。數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)同步傳輸，因此硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要有兩路信號(hào)傳輸通道，時(shí)鐘信號(hào)屬于單向傳輸，只能由后續(xù)電子設(shè)備產(chǎn)生并發(fā)送給編碼器，控制數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸速率。編碼器與后續(xù)電子設(shè)備之間的一次數(shù)據(jù)傳輸周期包括編碼器接收模式指令信息和發(fā)送位置值給后續(xù)電子設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸原則上是全雙工的，數(shù)據(jù)(位置值和參數(shù))可以在編碼器和后續(xù)電子設(shè)備之間相互傳輸，但實(shí)際上，為了保證數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，同一時(shí)間只允許一個(gè)方向上的數(shù)據(jù)流有意義。因此硬件設(shè)計(jì)采用RS485差分線路接收器和驅(qū)動(dòng)器，避免了收發(fā)時(shí)序發(fā)生沖突。RS485接口是一種基于差分接收和平衡發(fā)送的串行總線，抗共模能力強(qiáng)。基于數(shù)據(jù)的雙向同步傳輸原則，本系統(tǒng)中只采用微控制器的同步串行端口(SSP)連接EnDat數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸，結(jié)合差分總線收發(fā)器SN75176B實(shí)現(xiàn)編碼器位置值的采集。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了大體積碼盤，同時(shí)位置值讀取方便、準(zhǔn)確。LPC2368提供兩個(gè)串行接口控制器，本系統(tǒng)采用SSP0接口實(shí)現(xiàn)與編碼器的通信。未使用專門的解碼芯片，也沒有用到CPLD(FPGA)來(lái)處理編碼器數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也降低了系統(tǒng)成本。電路圖中的SCK0作為同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)，由微控制器驅(qū)動(dòng)，編碼器接收，時(shí)鐘信號(hào)只能在數(shù)據(jù)傳輸過程中改變，當(dāng)數(shù)據(jù)線上無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，時(shí)鐘線總是保持高電平或低電平。SSEL0是從機(jī)選擇信號(hào)，在數(shù)據(jù)傳輸前，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)該信號(hào)，由于本系統(tǒng)只有一個(gè)從機(jī)(編碼器)， 因此該引腳空置。MISO0——主機(jī)輸入從機(jī)輸出信號(hào)，使串行數(shù)據(jù)從編碼器傳輸?shù)絊SP0接口，MOSI0則剛好相反，使數(shù)據(jù)從SSP0接口傳輸?shù)骄幋a器。，對(duì)時(shí)鐘個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于編碼器和SSP0接口的一個(gè)傳輸周期包括數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，且編碼器的收、發(fā)工作模式不同，為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的收、發(fā)過程，系統(tǒng)采用計(jì)數(shù)器0對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，，并將其與SSP0接口的時(shí)鐘信號(hào)相連，從而實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)功能。當(dāng)SSP0接口數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，切換為接收模式，成功運(yùn)行一個(gè)完整的通信周期。 位置信號(hào)采集電路系統(tǒng)中采用的差分總線收發(fā)器SN75176B實(shí)現(xiàn)了在多點(diǎn)總線傳輸線上進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信的功能。其內(nèi)部集合了3態(tài)差分線驅(qū)動(dòng)器和接收器，前者為高電平有效使能端(DE)，后者為低電平使能端()，兩者外部連接在一起，起到控制方向的作用。當(dāng)DE()為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器有效，數(shù)據(jù)由SSP0接口發(fā)送給編碼器，反之則接收器有效，數(shù)據(jù)由編碼器發(fā)送給SSP0接口。，信號(hào)的正確傳輸需要時(shí)鐘信號(hào)同步作用，因此系統(tǒng)中采用兩片SN75176B，U4用于控制時(shí)鐘信號(hào)的傳輸，由于時(shí)鐘信號(hào)屬于單向傳輸，因此DE()恒為高，只作為驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)入DI的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過控制器轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)發(fā)送給編碼器，電容CC4和C5的主要作用是濾波和隔斷直流成分，保證時(shí)鐘信號(hào)的可靠性。數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送依靠U5切換接收使能和發(fā)送使能端，控制接口電路的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。當(dāng)DE()為高電平時(shí)，微控制器向編碼器發(fā)送模式指令信號(hào)，MOSI0上的數(shù)據(jù)有效，數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)變?yōu)镋nDat數(shù)字接口可以接受的差分信號(hào)；當(dāng)DE()為低電平時(shí)，編碼器發(fā)送位置值或參數(shù)給微控制器，差分總線上的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部接收器轉(zhuǎn)換輸出，MISO0上的信號(hào)有效，SSP0接口開始接收數(shù)據(jù)。，控制數(shù)據(jù)的收發(fā)方向。差分端口線之間跨接電阻R2的主要作用是總線匹配，以削減由于信號(hào)不匹配而引起的反射，同時(shí)抑制噪聲干擾，達(dá)到有效改善信號(hào)質(zhì)量的目的。 編碼器數(shù)據(jù)傳輸模式海德漢的絕對(duì)式位置編碼器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型分為位置值，位置值及附加信息或參數(shù)，發(fā)送的信息類型由微控制器發(fā)出的模式指令選擇。每個(gè)模式指令包括3Bits。為保證信息可靠發(fā)送，每個(gè)模式指令均采用冗余發(fā)送(反向或兩次)。編碼器接收到傳輸位置值的指令后，開始向SSP0接口發(fā)送當(dāng)前計(jì)算的數(shù)據(jù)，保證了將當(dāng)前位置值始終提供給位置控制環(huán)。 無(wú)附加信息的位置值傳輸圖數(shù)據(jù)包發(fā)送需要和時(shí)鐘信號(hào)保持同步，傳輸周期從第一個(gè)時(shí)鐘下降沿開始并以CRC結(jié)束。兩個(gè)時(shí)鐘脈沖后(2T)，SSP0發(fā)送模式指令(6Bits)。由上圖可知，模式指令之后繼續(xù)向編碼器發(fā)送2Bits的數(shù)據(jù)，因此SSP0向編碼器發(fā)送的模式指令需要十個(gè)時(shí)鐘，其中六位包含了實(shí)用的指令信息。編碼器成功計(jì)算絕對(duì)位置值(tcal)后，從起始位(S)開始向SSP0接口傳輸數(shù)據(jù)，后續(xù)錯(cuò)誤位——錯(cuò)誤1和錯(cuò)誤2是檢測(cè)類信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)獨(dú)立產(chǎn)生，一旦發(fā)生可能導(dǎo)致不正確位置值的測(cè)量故障時(shí)，編碼器將立即發(fā)出出錯(cuò)信息，并將錯(cuò)誤原因保存在編碼器內(nèi)。錯(cuò)誤標(biāo)志位之后為編碼器從最低有效位(LSB)開始發(fā)送的絕對(duì)位置值，位置信息的長(zhǎng)度取決于編碼器，本系統(tǒng)中使用的是位置值為25Bits的編碼器。位置值的數(shù)據(jù)發(fā)送以5Bits循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)結(jié)束。因此接收編碼器發(fā)送的位置值需要32個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后時(shí)鐘信號(hào)保持高電平狀態(tài)。，兩次傳輸間隔必須大于恢復(fù)時(shí)間，否則將出現(xiàn)傳輸故障。為延時(shí)補(bǔ)償時(shí)間，當(dāng)編碼器的傳輸頻率高于2MHz，隨著電纜長(zhǎng)度的加大，工作信號(hào)將會(huì)發(fā)生不可預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)畸變，因此應(yīng)通過工作測(cè)試測(cè)量延遲時(shí)間，并在編碼器接收指令信息之前，給予延時(shí)補(bǔ)償時(shí)間，保證信號(hào)的正確傳輸。本系統(tǒng)中采用的傳輸頻率為300KHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2MHz，因此不需要延時(shí)補(bǔ)償。值得注意的是，編碼器在接收模式指令和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)捕獲模式不同，編碼器在接收模式指令時(shí)，經(jīng)1/2個(gè)時(shí)鐘周期后，SSP0接口的有效數(shù)據(jù)被傳輸?shù)組OSI0管腳，SSP0接口的時(shí)鐘信號(hào)將變高，此時(shí)數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿被捕獲，并保持到時(shí)鐘的下降沿，即時(shí)鐘上升沿有效，如輔助線1所示。當(dāng)編碼器發(fā)送位置值時(shí)，則剛好相反，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿被捕獲，即時(shí)鐘下降沿有效，如輔助線2所示。由此可見在一個(gè)通信周期中，編碼器在收、發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，捕獲數(shù)據(jù)的時(shí)鐘邊沿不同，因此軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要采用不同的數(shù)據(jù)傳輸格式，以保證編碼器和SSP0接口能正確通信。此外編碼器需要十個(gè)時(shí)鐘周期才能完成模式指令的接收過程，但是只有中間六位數(shù)據(jù)有效，因此軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要在6位模式指令之前和之后分別填充任意兩位數(shù)據(jù)，將6Bits的模式指令擴(kuò)展為10Bits數(shù)據(jù)，保證第三個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)剛好開始傳輸有效模式指令。 SSP0接口和EnDat接口通信模式編碼器還可以隨位置值傳輸附加信息或參數(shù)，本系統(tǒng)采用的編碼器在循環(huán)冗余檢查后發(fā)送附加信息1和2，每個(gè)都以CRC結(jié)束。 帶附加信息的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)序每條附加信息的長(zhǎng)度為30Bits，并以低電平開始，以CRC結(jié)束。帶附加信息的位置值的傳輸和不帶附加信息的傳輸一樣，遵循模式指令長(zhǎng)度擴(kuò)展原則，同時(shí)編碼器發(fā)送、接收數(shù)據(jù)時(shí)需改變時(shí)鐘捕獲邊沿。位置值以一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字形式傳輸，數(shù)據(jù)從最低有效位(LSB)開始發(fā)送，長(zhǎng)度為25Bits。附加信息的內(nèi)容由存儲(chǔ)區(qū)選擇碼(MRS碼)決定，包括溫度、加速度、工作狀態(tài)錯(cuò)誤源、工作狀態(tài)報(bào)警源等。一旦選定存儲(chǔ)區(qū)后每個(gè)采樣周期都發(fā)送該信息，直到選擇新存儲(chǔ)區(qū)改變內(nèi)容為止。 發(fā)送位置值及附加信息的典型指令順序首先SSP0接口發(fā)送模式指令(001001)，指示編碼器發(fā)送位置值并接收存儲(chǔ)區(qū)選擇碼，編碼器響應(yīng)后發(fā)送位置值，SSP0接口接著發(fā)送MRS碼(與附加信息相對(duì)應(yīng))，一個(gè)通信周期結(jié)束。第二個(gè)通信周期中，SSP0接口發(fā)送模式指令(111000)指示編碼器發(fā)送位置值及附加信息，接收到指令后，編碼器開始發(fā)送位置值和附加信息。指令01000111要求編碼器返回的附加信息即為該指令本身，用于測(cè)試編碼器能否正常發(fā)送附加信息。 位置采集模塊程序設(shè)計(jì)EnDat接口和SSP0接口通過差分總線收發(fā)器SN75176B將編碼器采集到的目標(biāo)位置值傳輸給微控制器，為系統(tǒng)的位置環(huán)提供反饋信號(hào)。SSP0接口可以工作在主從兩種模式下，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)，控制數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率。由于本系統(tǒng)中采用的編碼器屬于智能型器件，微控制器先要發(fā)送模式指令，編碼器成功接收操作指示后向微控制器發(fā)送相應(yīng)于模式指令的數(shù)據(jù)。因此需將SSP0接口設(shè)置為主機(jī)模式，先向編碼器發(fā)送模式指令，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后切換模式，微控制器開始接收數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)篩選、處理等工作。位置采集模塊程序完成的任務(wù)主要包括一下幾點(diǎn)：(1)完成SSP0接口的初始化，驅(qū)動(dòng)同步串口向編碼器發(fā)送指令信息，同時(shí)能控制差分總線收發(fā)器接收編碼器發(fā)送的位置值。(2)，當(dāng)達(dá)到發(fā)送指令需要的時(shí)鐘個(gè)數(shù)時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生中斷標(biāo)志位，提醒微控制器模式指令發(fā)送結(jié)束，微控制器需要改變SSP0接口的通信模式，開始接收編碼器發(fā)送的信息。(3)初始化編碼器，驅(qū)動(dòng)EnDat接口能正確接收指令和發(fā)送位置值。同時(shí)對(duì)采集到的位置值進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果位置值正確，則將處理后的數(shù)據(jù)賦值給位置環(huán)的反饋環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)SSP0接口和EnDat數(shù)字接口之間通信功能的函數(shù)主要包括SSP0初始化函數(shù)、定時(shí)器0初始化函數(shù)、編碼器接收指令函數(shù)、SSP0接收位置值函數(shù)、CRC校驗(yàn)函數(shù)。、入口參數(shù)、函數(shù)返回值。 通信模塊函數(shù)描述函數(shù)名稱函數(shù)功能函數(shù)入口參數(shù)函數(shù)返回值SSPInitSSP0接口初始化無(wú)無(wú)TIME_0定時(shí)器0初始化發(fā)送模式指令需要的脈沖個(gè)數(shù)無(wú)Resetendat編碼器復(fù)位無(wú)無(wú)EnDatGetOrder向編碼器發(fā)送模式指令發(fā)送的模式指令值及發(fā)送過程需要的脈沖個(gè)數(shù)發(fā)送的模式指令值SSPGetnumSSP0接口接收位置值一個(gè)16位的任意數(shù)和接收數(shù)據(jù)的位數(shù)接收到的位置值TestdateCRC檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性編碼器檢測(cè)到的位置值0：位置值正確1：位置值錯(cuò)誤Getdate數(shù)據(jù)處理，并通過結(jié)構(gòu)體來(lái)傳值PI *P：定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體指針，指向位置環(huán)的反饋參數(shù)無(wú)SSP0接口初始化包括引腳選擇，設(shè)置數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、幀格式、時(shí)鐘極性和工作模式等。主要配置如下：void SSP_Init(void){……FIO3DIR |= 125 // ，置為輸出口，控制傳輸方向SSP0CR0 = (0x01 7) | // SPH=1，時(shí)鐘輸出相位，第二個(gè)邊沿捕獲數(shù)據(jù) (0x01 6) | // SPO=1，幀傳輸結(jié)束時(shí)保持高電平SSP0CR1 = (0x00 2) | // MS =0，SSP控制器為主機(jī) (0x00 0)。 // LBM =0，正常工作模式 ……} ，時(shí)鐘捕獲數(shù)據(jù)的有效邊沿不同，改變SSP0控制寄存器的第七位狀態(tài)位進(jìn)行配置。、的電平高低狀態(tài)，保證收發(fā)時(shí)序不發(fā)生沖突，實(shí)現(xiàn)編碼器和SSP的正常通信。定時(shí)器0的初始化主要包括引腳配置、選擇工作模式和匹配寄存器設(shè)置等。由于發(fā)送給編碼器的指令模式不同，需要的時(shí)鐘個(gè)數(shù)也不同，為了實(shí)現(xiàn)EnDatGetorder函數(shù)能發(fā)送所有的模式指令，將模式指令需要的時(shí)鐘個(gè)數(shù)作為函數(shù)入口參數(shù)傳遞給定時(shí)器的匹配寄存器，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值等于匹配寄存器的值時(shí)，中斷標(biāo)志位置位，即指令模式發(fā)送結(jié)束，SSP需要改變時(shí)鐘相位(下降沿捕獲數(shù)據(jù))，以實(shí)現(xiàn)SSP能正確的接收編碼器的位置值。編碼器正常上電啟動(dòng)后，或發(fā)生可導(dǎo)致不正確位置值的障礙時(shí)，通過調(diào)用Resetendat函數(shù)對(duì)編碼器復(fù)位，以刪除報(bào)警或警告信息，使編碼器回到正常的工作狀態(tài)。EnDatGetOrder函數(shù)實(shí)現(xiàn)SSP0接口向編碼器發(fā)送模式指令的功能，在此函數(shù)中需要調(diào)用定時(shí)器計(jì)數(shù)函數(shù)，因此將發(fā)送模式指令需要的時(shí)鐘個(gè)數(shù)作為函數(shù)入口參數(shù)，在函數(shù)內(nèi)部傳遞給定時(shí)器計(jì)數(shù)函數(shù)。當(dāng)指令傳輸結(jié)束后，將SSP控制器禁能，以關(guān)斷時(shí)鐘信號(hào)，防止通信時(shí)序錯(cuò)亂，當(dāng)編碼器需要再次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)再使能SSP控制器。同時(shí)將差分總線收發(fā)器SN75176B置為接收狀態(tài)(有效)，并改變時(shí)鐘捕獲邊沿，為微控制器接收編碼器位置值做好準(zhǔn)備。SSPGetnum和EnDatGetOrder函數(shù)共同構(gòu)成一個(gè)通信周期，當(dāng)EnDatGetorder指令發(fā)送結(jié)束，并將系統(tǒng)配置為接收狀態(tài)后，通過函數(shù)SSPGetnum實(shí)現(xiàn)SSP0接口對(duì)編碼器位置值的采集。由于編碼器發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)隨著指令模式的不同而不同，因此需要根據(jù)具體的數(shù)據(jù)位數(shù)決定接收模式，將接收數(shù)據(jù)的位數(shù)作為該函數(shù)的入口參數(shù)，靈活地實(shí)現(xiàn)了任意