基于DSP的絕對式光電編碼器串行接口設計

摘要：為了實現(xiàn)SSI接口的絕對式光電編碼器在電機伺服控制系統(tǒng)中對電機位置的檢測，采用了DSP芯片TMS320F2812的通用I／O口模擬SSI接口與絕對式編碼器之間的通信，編寫了模擬SSI接口通信時序程序并做了絕對式編碼器位置檢測實驗，獲得了絕對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。得到了絕對式編碼器在電機伺服控制系統(tǒng)中可實現(xiàn)位置精確采集和精確控制以及利用通用I／O口，實現(xiàn)SSI接口通信，其具有設計簡單、成本低、易維護、位置檢測精確以及可替代專用解碼芯片的特點。
關鍵詞：絕對編碼器；DSP；串行通信SSI；TMS320F2812

0 引言
在電機伺服系統(tǒng)中，通常需要檢測轉子的位置信息作為閉環(huán)控制的反饋信號，對高精度伺服系統(tǒng)而言，位置反饋環(huán)節(jié)的檢測精度直接影響伺服系統(tǒng)的性能，常用的位置檢測裝置有光電編碼器和旋轉變壓器等。旋轉變壓器具有結構簡單、成本低、可靠性和防護等級高的優(yōu)點，但其解碼復雜、專用解碼芯片昂貴以及對電磁干擾敏感等缺點限制了其發(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正交信號易受電磁干擾和機械抖動引起誤計數(shù)，導致位置定位有誤，且其無掉電記憶功能。絕對式光電編碼器具有精度高、可靠性高、抗干擾能力強、具有掉電記憶功能等特點，因此，絕對式光電編碼器廣泛應用于雷達、機器人、精密機床和高精度伺服系統(tǒng)等對精度要求比較高的場合。
絕對式編碼器的信號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)勢而得到較多應用。但是由于采用串行輸出方式會導致較大的傳輸延遲，這就對串行通信的速度和可靠性有比較高的要求。絕對式編碼器的應用需要專用的處理芯片，芯片的價格十分昂貴，有人采用CPLD、FPGA等硬件實現(xiàn)對編碼器串行數(shù)據(jù)的處理，這無疑增加了系統(tǒng)的復雜程度。本文介紹了以DSP芯片TMS320F2812為核心，針對意大利LIKA公司的HMCT／16／4096／BA絕對式光電編碼器進行了SSI接口電路和軟件的設計，實現(xiàn)DSP的通用I／O口與編碼器之間的通信。

1 絕對式光電編碼器
意大利LIKA公司的HMCT／16／4096／BA絕對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制碼可選；軸心(軸向和徑向)負載最大為40 N；軸心旋轉速度最大6 000 r／m；轉動慣量約95 g·cm2；供電電壓10～30 V；功耗1 W；輸出電流最大為40 mA；存儲溫度范圍：-40～100℃；工作溫度范圍：-20～85℃；保護等級：IP65；質量：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，本方案中除用到供電電壓信號外，只用了其中的CLOCK+，CLOCK-，DATA+和DATA-信號。

2 SSI接口及SSI協(xié)議介紹
SSI接口光電編碼器采用主機主動讀取方式，是以2對符合RS 422電平的信號線進行信號傳輸，1對數(shù)據(jù)(Data)線，1對同步時鐘(Clock)線。SSI同步時鐘頻率決定數(shù)據(jù)傳輸速率，其范圍較寬為0．1～2 MHz，可以根據(jù)傳輸距離遠近選擇相應的傳輸速率，傳輸速率自適應。SSI數(shù)據(jù)傳輸時序如圖1所示，在同步時鐘控制下，從最高有效位(MSB)開始傳輸數(shù)據(jù)，在時鐘信號的第一個下降沿，如“1”位置，編碼器的當前位置值被儲存，在隨后的時鐘上升沿，如“2”位置，存儲的數(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，最后一個由低到高電平的跳變，如“3”的位置，輸出傳輸周期結束，再經(jīng)Tm時間后編碼器進入下一個傳輸周期。圖中T為同步時鐘周期，Tm為脈沖序列結束保持高電平時間(Tm>T)，如果位數(shù)小于25位，要用“0”填充補齊，具體補零位置見參考文獻中的“樹形(TR EE)數(shù)據(jù)對齊格式”和“LSB位右對齊格式”。