绝对编码器通信协议指南

作者：Jason Kelly, Electromechanical Design Engineer, CUI Devices

自动化不断给现代化的世界带来革命性的变化。其涵盖的不只是工业自动化和工业 4.0，还包括商业和消费领域。这是广泛存在的物联网统治的天下，过去是将物理性任务自动化，而现在越来越多的是机电化的任务。

通俗来说，就是电机提供了一种控制物理世界的方式。然而，大多数电机都是比较基本的，这意味着它们通常不会提供任何位置反馈。尤其是用于简单移动负载的低成本电机，更是如此。可能有人会感到惊讶，电机还能提供位置反馈？但事实确实如此，例如汽车座椅，它可以根据打开和启动车辆所用的钥匙自动调整其位置。

这些基本电机之所以能做到这些，是因为它们被赋予了必要的“智能”，这个智能的关键就是编码器，通过编码器就可以知道座椅的位置和如何进行调整。虽然有些电机包含了编码器，但那些不包含编码器的电机也可以使用外部编码器，这些编码器设计时一般安装在电机轴的外部。可以在这些应用中使用的编码器有多种类型，每种编码器都有自己的运动检测方式。这可能包括当物体从光源前经过时对光脉冲进行计数的光学编码器，或当磁铁穿过霍尔效应开关时对其产生的脉冲进行计数。

有些编码器，如 CUI Devices 的 AMT 系列绝对编码器，会兼具光学编码器的高分辨率与磁性编码器的稳健性。它们通过电容编码来实现，电容编码使用两块板：一个发射器和一个接收器，由连接在转子上的第三块板分开。当中心板旋转时，它会干扰发射器和接收器之间电容传导的信号。由于干扰不依赖于运动，所以即使在转子板不动的情况下，也能检测到它的绝对位置。

常见的应用要求编码器检测电机的速度，或者根据旋转次数来解释电机移动任何东西的位置。它可能还需要检测行程方向。报告位置的方式也会有所不同。如上所述，绝对旋转编码器不依赖于知道先前的位置，因为它为转子的每一个可量化的位置提供了一个唯一的值。这在需要知道电机上电断电后位置的应用中很有用，例如当有人进入车辆时。

旋转编码器使用的协议

无论用什么方法来捕捉物理运动，都需要将信息传递给控制器。这是通过另一层编码来实现的，它将原始脉冲转化为传输协议。

物理连接影响着协议的选择和工作方式。一般来说，协议要么是同步的，即使用时钟信号，要么是异步的（没有时钟信号）。此外，物理连接可以是单端的，或者为了进一步提升稳健性，也可以采用差分方式。这种组合导致了四种可能的选择，涵盖这些选择的最常用协议有：串行外设接口（或称 SPI，单端、同步）、RS-485（亦称 TIA/EIA-485，差分、异步）和同步串行接口（或称 SSI，差分、同步）。

选择协议有许多考虑因素。它们首先提供了一定程度的互操作性，但它们也提高了通信通道的稳健性，特别是在电噪声大的应用中，如工业电机控制。但这确实提出了一个问题，即对于特定的应用，什么协议才是最好的。幸运的是，AMT 系列包括的型号提供了上述所有三种协议。因此，我们不妨仔细了解一下每一个协议，充分了解它们的相对属性，以帮助我们进行选择。

SPI 总线

作为一种同步总线，SPI 总线上有一个连接是专用时钟信号 (SCLK)。因为为主设备和从设备提供了专用连接，所有该协议还支持全双工操作。而且由于所有的数据交换都是由时钟信号协调的，因此主、从设备无需先协商数据速率或消息长度等参数就可以进行通信。每个从设备都有一个片选引脚（图 1），允许主设备控制其在任何既定时间与哪个设备通信。

例如，AMT22 系列带有一个 SPI 编码器，可配置为使用 2 MHz 工作时钟信号。这意味着，当主设备提出请求时，编码器可以在短短 1500 ns 内响应其当前位置。SPI 协议的布线配置也很简单，每个器件上都有主出、从入 (MOSI) 和主入、从出 (MISO) 的专用连接。如图 1 所示，每一个连接都是连在一起的，而主设备则有专门的连接用于各个片选引脚。

图 1：SPI 协议对时钟和数据使用了公用连接，片选则采用专用连接（图片来源：CUI Devices）

作为单端总线，如果使用高速时钟，SPI 协议很适合在相对较短的距离上进行连接，约在 1 米以内。如果降低时钟速度，这个距离可以延长，同时保持信号的完整性。这使得 SPI 协议具有极强的通用性，适用于多种应用。

RS-485 总线

如果应用的距离超过 1 米，或者环境中存在大量的电气噪声，差分总线可能是更好的选择。这是因为差分信号本身就比单端信号更稳健。另一种可以提高稳健性的技术是消除对总线上清洁时钟信号的需求。这时 RS-485 总线和相关协议就可以成为一个合适的选择。

RS-485 接口使用双绞线布线，由于它是差分的，所以需要在电缆两端进行适当的端接。但由于它是异步的，总线上没有专用的时钟信号，所以只需要两根导线（图 2），就可以达到 10Mb/s 甚至更高的数据速率。作为总线，它支持多个连接，但每个连接都必须进行端接，并与电缆阻抗匹配。为了保持性能，每个设备应使用尽可能短的电缆长度连接到总线。

AMT21 系列采用 RS-485 总线/协议，只需要两个双绞线连接和两个电源连接。由于是异步的，所有设备都需要注意协议的配置方式，默认情况下，AMT21 系列使用 8N1，即 8 个数据位，无奇偶校验，1 个停止位。在这种配置中，6 个最重要的位被用作地址，这意味着一个连接最多可以支持 64 个可单独寻址的设备。两个最小有效位用于指令。当接到提供位置数据的指令时，AMT21 系列可以在 3 微秒内做出反应。另外还有复位编码器和设置零位的指令。

图 2：RS-485 协议在单根双绞线上支持多个设备（图片来源：CUI Devices）

SSI 总线

在标准配置中，SSI 总线可以被看作是 RS-485 总线的扩展，沿着数据差分对增加了一个传递时钟信号的差分对。这意味着标准 SSI 接口使用了两个差分对，或四个连接，分别用于时钟和数据。CUI Devices 在此设计上开发了一种变体，去掉了差分部分，但增加了一个片选引脚。这就将每个连接的引脚数从 4 个减少到 3 个，同时增加了专用片选的便利性（图 3）。

该变体与支持片选的 SSI 控制器兼容，提供与 SPI 类似的性能水平。CUI Devices 的 AMT23 系列就采用了这种 SSI 变体技术，可按图 3 所示进行配置。

图 3：该 SSI 变体需要更少的电线，但支持片选（图片来源：CUI Devices）

结语

自动化的使用只会越来越多。绝对编码器旨在与电机配套使用，能够在自动化应用中实现更好的控制。CUI Devices 开发出了电容编码技术并将其用在其 AMT 系列中，能够同时使用上述三种通信协议。由于每种协议都有自己的特点和优势，在为应用选择适合的最佳技术时，这给工程师提供了更大的设计自由度。