海德汉EnDat接口编码器数据采集设计方案

　　一 概述
　　绝对式编码器利用自然二进制、循环二进制（格雷码）或PRC码对码盘上的物理刻线进行光电转换，将连接轴的转动角度量转换成相应的电脉冲序列并以数字量输出。它具有体积小、精度高、接口数字化及绝对定位等优点，被广泛应用于雷达、转台、机器人、数控机床和高精度伺服系统等诸多领域。绝对式编码器的数据输出以同步串行输出为主，EnDat接口是海德汉专为编码器设计的数字式、全双工同步串行接口。它不仅能为增量式和绝对式编码器传输位置值，同时也够传输或更新存储在编码器中的信息，或保存新的信息。由于使用了串行传输方式，所以只需四条信号线，在后续电子设备的时钟激励下，数据信息被同步传输。数据类型（位置值、参数、诊断信息等）由后续电子设备发送给编码器的模式指令选择决定。
　

　　二 EnDat接口介绍
　　1. EnDat接口的特点

　　高性能低成本：通用的接口适用于所有的增量和绝对式编码器，更经济的电能消耗，小的尺寸和紧凑的连接方式，快速系统配置，零点可根据偏置值浮动。
　

　　更好的信号质量：编码器内部特别的优化提高了系统精度，为数控系统提供更好的轮廓精度。
 　

　　更好的实用性：自动系统配置功能；数字信号提高了系统的可靠性；监控与诊断信息有利于系统的安全；冗余码校验有利于可靠的信号传输。
 　

　　提高了系统的安全性：两个独立的位置信息及错误信息位，数据的校验和及应答。
 　

　　适用于先进的技术发展：（高的分辨率、短的控制周期，最快16M时钟，安全设计理念）适用于直接驱动技术。

图1  EnDat接口编码器数据采集原理图
　

　　2. EnDat2.2编码器性能的提高

　　传输位置值与附加信息可同时传输：附加信息的类型可通过存储地址选择码选择。
 　

　　编码器数据存储区域包括编码器制造商参数、OEM厂商参数、运行参数、运行状态，便于系统实现参数配置。
 　

　　EnDat2.2编码器实现了全数字传输，增量信号的处理在编码器内部完成（内置14Bit细分），提高了信号传输的质量和可靠性，可实现更高的分辨率。
 　

　　监控和诊断功能，报警条件包括：光源失效、信号幅值不足、位置计算错误、运行电压太低或太高、电流消耗太大等；当编码器的一些极限值被接近或超过时提供警告信号。
 　

　　更宽的电压范围（3.6~14V）和传输速率（16M）。
　

　　3. 时序和OEM数据存储
　　在每一帧同步数据传输时一个数据包被发送，传输循环从时钟的第一个下降沿开始测量值被保存，计算位置值。在两个时钟脉冲（2T）后，后续电子设备发送模式指令“编码器传输位置值”（带或不带附加信息）。
在计算出了绝对位置值后（tcal－－-见图2 ），从起始位开始编码器向后续电子设备传输数据，后续的错误位F1和F2（只存在于EnDat2.2指令中）是为所有的监控功能和故障监控服务的群组信号，他们的生成相互独立，用来表示可能导致不正确位置信息的编码器故障。导致故障的确切原因保存在“运行状态”存储区，可以被后续电子设备查询。
　

　　从最低位开始，绝对位置值被传输，数据的长度由使用的编码器类型决定。传输位置值所需的时钟脉冲数保存在编码器制造商的参数中。位置值数据的传输以循环冗余检测码结束。

图2 无附加信息的位置值传输
　

　　位置值如果带附加信息，紧接在位置值后的是附加信息1和2，他们也各以一个CRC结束。附加信息的内容由存储区的选择地址决定，然后在后面的采样周期里被传输。在后续的传输中一直传输该信息，直到新的存储区被选择。在数据字的结尾，时钟信号必须置高电平。10us到30us或1.25us到3.75us（EnDat2.2可编程的恢复时间tm）后，数据线回到低电平，然后，新的数据传输可在新的时钟信号下开始。

图3  带附件信息的位置传输
　

　　同时，编码器为参数提供了不同的存储区，它们可以被后续电子设备读取，这些区域可以被编码器制造商、OEM厂商甚至最终用户写入。一些特定的区域是可以被写保护的。不同系列的编码器支持不同的OEM存储区和不同的地址范围。因此，每一个编码器必须读取OEM存储区的分配信息。基于此原因，后续电子电路应基于相对地址编程，而不能使用绝对地址。
　

　　三 EnDat接口后续电子设备的电路设计方案
　　使用者可以根据EnDat接口协议和电路电气特性自行设计接口电路进行数据采集与处理，同时海德汉也提供了特定的数据处理芯片供用户选择。如果用户自行设计电路，需遵循EnDat接口的电气特性，并需要掌握EnDat接口的协议，保证严格遵循协议的时序要求和数据帧格式。而如果采用海德汉提供的数据处理芯片，则可以简化设计，用户只需配置FPGA的寄存器，按照芯片可接受的指令格式发送指令，就可获得需要的数据。
   　

　　通过遵循RS 一485 （差分信号）标准的收发元件，在后续电子设备发出的同步时钟激励下，数据（位置值和参数）可以在编码器和后续电子设备之间双向传输。            
　

　　四 FPGA+软件宏
　　海德汉的合作伙伴MAZet公司针对Xilinx公司的Virtex和Spartan系列及Altera公司的Acex和Cyclone系列提供了EnDat协议的软件宏，根据客户需求，MAZet公司还可以提供定制软核。该软核实现了EnDat接口的所有功能，用户可通过6位地址线和16位数据线与微控制器进行8位或16位的数据传输。下面是FPGA的模块图和电路设计。

图4   FPGA模块图