基于FPGA設(shè)計(jì)EnDat編碼器數(shù)據(jù)采集后續(xù)電路

摘要：隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA以其體積小、速度快、功耗低、設(shè)計(jì)靈活、利于系統(tǒng)集成、擴(kuò)展升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于高速數(shù)字信號(hào)傳輸及數(shù)據(jù)處理。EnDat數(shù)據(jù)接口是適用于編碼器的雙向數(shù)字接口。EnDat可傳輸編碼器的位置值，也能傳輸或更新保存在編碼器中的信息或保存新信息。在此介紹了EnDat接口的特點(diǎn)、功能、時(shí)序和數(shù)據(jù)傳輸、OEM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及編碼器數(shù)據(jù)采集后續(xù)電路設(shè)計(jì)方案，基于FPGA編碼器接口的設(shè)計(jì)，用以進(jìn)行編碼器和DSP處理器之間的通訊。
關(guān)鍵詞：EnDat；編碼器；FPGA

O 引言
    EnDat接口是HEIDENHAIN專為編碼器設(shè)計(jì)的數(shù)字式、全雙工同步串行的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，具有傳輸速度快、功能強(qiáng)大、連線簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是編碼器、光柵尺數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌?。由于使用了串行傳輸方式，所以只需四條信號(hào)線，在后續(xù)電子設(shè)備的時(shí)鐘激勵(lì)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。編碼器利用自然二進(jìn)制、循環(huán)二進(jìn)制(格雷碼)或PRC碼對(duì)碼盤(pán)上的物理刻線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖序列并以數(shù)字量輸出。它具有體積小、精度高、接口數(shù)字化及絕對(duì)定位等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床和高精度伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。

1 EnDat接口介紹
1．1 EnDat接口的特點(diǎn)
    (1)高性能低成本：通用的接口適用于所有的增量和絕對(duì)式編碼器，更經(jīng)濟(jì)的電能消耗，小的尺寸和緊湊的連接方式，快速系統(tǒng)配置，零點(diǎn)可根據(jù)偏置值浮動(dòng)。
    (2)更好的信號(hào)質(zhì)量：編碼器內(nèi)部特別的優(yōu)化提高了系統(tǒng)精度，為數(shù)控系統(tǒng)提供更好的輪廓精度。
    (3)更好的實(shí)用性：自動(dòng)系統(tǒng)配置功能；數(shù)字信號(hào)提高了系統(tǒng)的可靠性；監(jiān)控與診斷信息有利于系統(tǒng)的安全；冗余碼校驗(yàn)有利于可靠的信號(hào)傳輸。
    (4)提高了系統(tǒng)的安全性：兩個(gè)獨(dú)立的位置信息及錯(cuò)誤信息位，數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和應(yīng)答。
    (5)適用于先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展：(高的分辨率、短的控制周期，最快16 M時(shí)鐘，安全設(shè)計(jì)理念)適用于直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
1．2 EnDa2．2編碼器性能的提高
    (1)傳輸位置值與附加信息可同時(shí)傳輸：附加信息的類型可通過(guò)存儲(chǔ)地址選擇碼選擇。
    (2)編碼器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域包括編碼器制造商參數(shù)、OEM廠商參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)，便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置。
    (3)EnDa2．2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(內(nèi)置14 Bit細(xì)分)，提高了信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性，可實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。
    (4)監(jiān)控和診斷功能，報(bào)警條件包括：光源失效、信號(hào)幅值不足、位置計(jì)算錯(cuò)誤、運(yùn)行電壓太低或太高、電流消耗太大等；當(dāng)編碼器的一些極限值被接近或超過(guò)時(shí)提供警告信號(hào)。
    (5)更寬的電壓范圍(3．6～14 V)和傳輸速率(16 M)。

1．3 時(shí)序和OEM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
    在每一幀同步數(shù)據(jù)傳輸時(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送，傳輸循環(huán)從時(shí)鐘的第一個(gè)下降沿開(kāi)始測(cè)量值被保存，計(jì)算位置值。在兩個(gè)時(shí)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(jì)算出了絕對(duì)位置值后(見(jiàn)圖2)，從起始位開(kāi)始編碼器向后續(xù)電子設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，后續(xù)的錯(cuò)誤位F1和F2(只存在于EnDa2．2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(hào)，他們的生成相互獨(dú)立，用來(lái)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(yùn)行狀態(tài)”存儲(chǔ)區(qū)，可以被后續(xù)電子設(shè)備查詢。

    從最低位開(kāi)始，絕對(duì)位置值被傳輸，數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度由使用的編碼器類型決定。傳輸位置值所需的時(shí)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(cè)碼結(jié)束。
    位置值如果帶附加信息，緊接在位置值后的是附加信息1和2，他們也各以一個(gè)CRC結(jié)束(見(jiàn)圖3)。附加信息的內(nèi)容由存儲(chǔ)區(qū)的選擇地址決定，然后在后面的采樣周期里被傳輸。在后續(xù)的傳輸中一直傳輸該信息，直到新的存儲(chǔ)區(qū)被選擇。在數(shù)據(jù)字的結(jié)尾，時(shí)鐘信號(hào)必須置高電平。10～30μs或1．25～3．75μs(EnDat可編程的恢復(fù)時(shí)間tm)后，數(shù)據(jù)線回到低電平，然后，新的數(shù)據(jù)傳輸可在新的時(shí)鐘信號(hào)下開(kāi)始。

    同時(shí)，編碼器為參數(shù)提供了不同的存儲(chǔ)區(qū)，它們可以被后續(xù)電子設(shè)備讀取，這些區(qū)域可以被編碼器制造商、OEM廠商甚至最終用戶寫(xiě)入。一些特定的區(qū)域是可以被寫(xiě)保護(hù)的。不同系列的編碼器支持不同的OEM存儲(chǔ)區(qū)和不同的地址范圍。因此，每一個(gè)編碼器必須讀取OEM存儲(chǔ)區(qū)的分配信息?；诖嗽?，后續(xù)電子電路應(yīng)基于相對(duì)地址編程，而不能使用絕對(duì)地址。

2 EnDat接口后續(xù)電子設(shè)備的電路設(shè)計(jì)方案
    全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)中采用TMS320F2812作為控制器，用以實(shí)現(xiàn)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)以及SVPWM、電壓和電流采樣等功能。此外，采用Altera公司的型號(hào)為EPlC6Q240C8的Cyclone系列FPGA實(shí)現(xiàn)與編碼器接口、譯碼邏輯等功能。同時(shí)，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了128B的雙口RAM，通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸，功能框圖如圖4所示。

    FPGA內(nèi)部分為時(shí)鐘發(fā)生模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、雙口RAM模塊、發(fā)送使能模塊5個(gè)部分。首先，由時(shí)鐘發(fā)生模塊產(chǎn)生周期為0．5μs的方波信號(hào)，取名為CLOCK，此信號(hào)作為通訊同步時(shí)鐘信號(hào)。在CLOCK的每個(gè)時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)變量COUNT自加1，變量COUNT的初始值為0。當(dāng)發(fā)送使能模塊檢測(cè)到COUNT的值為3時(shí)，說(shuō)明編碼器已經(jīng)將位置值保存完畢，發(fā)送使能模塊使SENT_EN信號(hào)有效，發(fā)送模塊開(kāi)始發(fā)送6位模式指令。當(dāng)檢測(cè)到COUNT的值為9時(shí)，停止COUNT在每個(gè)時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)，停止發(fā)送數(shù)據(jù)并使接收使能信號(hào)RECEIVE_EN有效，從而使能接收模塊。接收模塊開(kāi)始檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入信號(hào)的上升沿，一旦上升沿到來(lái)說(shuō)明收到數(shù)據(jù)起始位s，啟動(dòng)COUNT在每個(gè)時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)，以后在每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿保存位置值，直到檢測(cè)到COUNT的值為39時(shí)，停止接收數(shù)據(jù)，由接收模塊向雙口RAM模塊的A口寫(xiě)入要保存的位置值，從而結(jié)束一次FPGA與編碼器的通訊過(guò)程。由于每次通訊時(shí)間是嚴(yán)格固定的，設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為2MHz。FPGA為主叫，當(dāng)時(shí)鐘下降沿到來(lái)時(shí)，編碼器保存位置值要2個(gè)時(shí)鐘周期，向編碼器發(fā)送“請(qǐng)求數(shù)據(jù)”控制字共6位“000111”，需時(shí)6個(gè)時(shí)鐘周期，編碼器向FPCA共發(fā)送1個(gè)起始位、2個(gè)“錯(cuò)誤位”、23位位置值和5位CRC校驗(yàn)位要31個(gè)時(shí)鐘周期，共39個(gè)時(shí)鐘周期，所以每次通訊需要19．5μs的時(shí)間，并且每個(gè)時(shí)刻具體需要傳遞哪一位數(shù)據(jù)也是嚴(yán)格確定
的。因此采用基于時(shí)基的設(shè)計(jì)方法(見(jiàn)圖5)。

    在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了128 B的雙口RAM空間，A口具有8位數(shù)據(jù)線，7位地址線，用于與編碼器通訊，B口具有16位數(shù)據(jù)線，7位地址線，用于與DSP通訊，因?yàn)門(mén)MS320F2812為16位DSP，所以與FPGA中RAM的數(shù)據(jù)傳遞極為方便。DSP在每個(gè)電流環(huán)周期發(fā)送一個(gè)有效的“BEGIN”信號(hào)，19．5μs之后，碼盤(pán)信號(hào)接收模塊將接收到數(shù)據(jù)存入FPGA內(nèi)部雙口RAM的A口中，并按順序排列成16位數(shù)據(jù)的形式，然后向DSP發(fā)送“END”信號(hào)，表示一次通訊結(jié)束，DSP接收到中斷之后從FPGA的雙口RAM的B口中讀取數(shù)據(jù)，完成一次通訊。
    對(duì)FPGA的開(kāi)發(fā)采用XILINX公司的ISE集成環(huán)境，硬件描述語(yǔ)言為Verilog HDL語(yǔ)言。圖6為程序流程圖。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的編碼器接口，用以進(jìn)行編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器DSP處理器之間的通訊，并且具有CRC校驗(yàn)等糾錯(cuò)功能。本文給出了硬件連接和FPGA程序設(shè)計(jì)流程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步交流電機(jī)磁極位置準(zhǔn)確的讀取。