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

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，通過這樣的轉(zhuǎn)變，位移就可以通過脈沖輸出的多少來(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)值編碼器這些問題都可以得到解決?！?/p>

　　1.2絕對(duì)值編碼器工作原理

　　絕對(duì)值編碼器的碼盤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)，與中間任何過程都沒有關(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。比如在傳輸過程中，只要有一根數(shù)據(jù)線出現(xiàn)問題，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，通過采用差分的方式來(lái)提高數(shù)據(jù)在傳輸過程中的可靠性，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。

　　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)在傳輸過程中的速率。在工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域中，通過實(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。圖2SSI通信協(xié)議

　　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3SSI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。

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