旋轉編碼器廣泛用于工業(yè)自動化系統中。此類編碼器的典型應用是電力機械，其中編碼器連接到旋轉軸，從而向控制系統提供反饋。雖然編碼器的主要用途是角度位置和速度測量，但系統診斷和參數配置等其他特性也很常見。圖 1 顯示了一個電機控制信號鏈，其利用 RS-485 收發(fā)器和微處理器連接絕對編碼器 (ABS 編碼器)從機和工業(yè)伺服驅動器主機，以實現對交流電機的閉環(huán)控制。

伺服驅動器和ABS編碼器之間的 RS-485 通信鏈路通常要求最高達 16 MHz 的高數據速率和低傳播延遲時序規(guī)格。RS-485 線纜延伸長度最大值通常是 50 米，但有時候也可能長達 150 米。對數據通信而言，電機控制編碼器應用是具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，因為電氣噪聲和長電纜會影響 RS-485 信號傳輸的完整性。本文重點闡述電機控制應用采用 ADI 公司 50 Mbps (25 MHz) ADM3065E RS-485 收發(fā)器和 ADSP-CM40x 混合信號控制處理器的主要好處。

圖 1.利用 RS-485 連接絕對編碼器從機和伺服驅動器主機，實現對交流電機的閉環(huán)控制。

ADM3065E RS-485 收發(fā)器設計用于在電機控制編碼器之類惡劣環(huán)境中可靠地工作，并且具備增強的抗擾度和 (IEC) 61000-4-2 ESD (靜電放電)魯棒性。

抗擾度

RS-485 信號傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾。系統噪聲均等地耦合到 RS-485 雙絞線電纜中的每條導線。一個信號的發(fā)射與另一個信號相反，耦合到 RS-485 總線的電磁場彼此抵消。這降低了系統的電磁干擾 (EMI)。此外，ADM3065E 增強的 2.1 V 驅動強度支持在通信中實現更高的信噪比 (SNR)。給 ADM3065E 增加信號隔離可利用 ADuM141D 輕松實現。ADuM141D 是一款采用 ADI 公司 iCoupler® 技術的四通道數字隔離器。ADuM141D 的工作數據速率最高可達 150 Mbps，因此它適合與 50 Mbps ADM3065E RS-485 收發(fā)器一起工作(參見圖 2)。直接功率注入 (DPI) 法測量器件抑制注入到電源或輸入引腳的噪聲的能力。ADuM141D 采用的隔離技術已通過測試，符合 DPI IEC 62132-4 標準。ADuM141D 抗擾度性能超過同類產品。ADuM141D 在整個頻率范圍內保持了出色的性能，而其他隔離產品在 200 MHz 至 700 MHz 頻段出現位錯誤。

圖 2.信號隔離的 50 Mbps RS-485 解決方案(簡化圖，未顯示全部連接)。

IEC 61000-4-2 ESD 性能

編碼器到電機驅動器的裸露 RS-485 連接器和線纜上的 ESD 是一個常見系統危險因素。與變速電力驅動系統的 EMC 抗擾度要求相關的系統級 IEC 61800-3 標準，要求最低 ±4 kV (接觸)/±8 kV (空氣)的 IEC 61000-4-2 ESD 保護。ADM3065E 超過了這一要求，提供 ±12 kV (接觸)/±12 kV (空氣)的 IEC 61000-4-2 ESD 保護。圖 3 所示為 IEC 61000-4-2 標準中的 8 kV 接觸放電電流波形與人體模型 (HBM) ESD 8 kV 波形的對比。從圖 4 中可以看出，兩個標準規(guī)定的波形形狀和峰值電流是不同的。與 IEC 61000-4-2 8 kV 脈沖關聯的峰值電流為 30 A，相應的 HBM ESD 峰值電流比該數值的五分之一還小，為 5.33A。另一差異為初始電壓尖峰的上升時間，對于 IEC 61000-4-2 ESD，上升時間為 1 ns，相較于與 HBM ESD 波形關聯的 10 ns 時間要快得多。與 IEC ESD 波形關聯的功率值顯著大于 HBMESD 波形的相應值。HBM ESD 標準要求待測設備 (EUT) 經受 3 次正放電和 3 次負放電，而 IEC ESD 標準則要求 10 次正放電和 10 次負放電測試。與標稱多種 HBM ESD 保護級別的其他 RS-485 收發(fā)器相比，具有 IEC 61000-4-2 ESD 額定值的 ADM3065E 更適合在惡劣環(huán)境中工作。

圖 3.IEC 61000-4-2 ESD 波形 (8 kV) 與 HBM ESD 波形 (8 kV) 的對比

EnDat 通信協議

編碼器使用的通信協議有很多種，例如 EnDat、BiSS、HIPERFACE 和 Tamagawa。盡管有區(qū)別，但編碼器通信協議在實現方面具有相似點。這些協議的接口是串行雙向管道，符合 RS-422 或 RS-485 電氣規(guī)范。雖然硬件層有相同之處，但運行每種協議所需的軟件是獨一無二的。通信堆棧和所需的應用程序代碼均特定于協議。本文主要說明 EnDat 2.2 接口主機側的硬件和軟件實現。

延遲影響

延遲分為兩類：第一類是電纜的傳輸延遲，第二類是收發(fā)器的傳播延遲。電纜延遲由光速和電纜的電介質常數決定，典型值為 6 ns/m 至 10 ns/m。當總延遲超過半時鐘周期時，主機和從機之間的通信就會出故障。對此，設計人員有如下選擇：

• 降低數據速率

• 減小傳播延遲

• 在主機側提供延遲補償

選項 3 可同時補償電纜延遲和收發(fā)器延遲，因此是確保系統能以高時鐘速率通過長電纜運行的有效辦法。缺點是延遲補償會增加系統的復雜性。在延遲補償不可行的系統中，或在電纜較短的系統中，使用傳播延遲短的收發(fā)器具有明顯的優(yōu)勢。低傳播延遲使得時鐘速率可以更高，而且不必在系統中引入延遲補償。

主機實現

主機實現包括串行端口和通信堆棧。編碼器協議并不兼容標準端口(例如 UART)，故無法使用大多數通用微控制器上的外設。不過，利用 FPGA的可編程邏輯可以在硬件中實現專用通信端口，并支持延遲補償等高級特性。FPGA 方法雖然很靈活，可以針對具體應用進行定制，但也有缺點。與處理器相比，FPGA 成本高，功耗大，而且上市時間長。

本文討論的 EnDat 接口是在 ADI 公司的 ADSP-CM40x 上實現，后者是一款針對電機控制驅動器而開發(fā)的處理器。除了脈寬調制器 (PWM) 定時器、模數轉換器 (ADC) 和 sinc 濾波器等用于電機控制的外設以外，ADSP-CM40x 還有高度靈活的串行端口 (SPORT)。

這些 SPORT 可以仿真多種協議，包括 EnDat 和 BiSS 等編碼器協議。由于 ADSP-CM40x 的外設很豐富，所以它不僅能執(zhí)行高級電機控制，而且能與編碼器接口。換言之，無需使用 FPGA。

測試設置

EnDat 2.2 測試設置如圖 4 所示。EnDat 從機是 Kollmorgen 的一款標準伺服電機 (AKM22)，EnDat 編碼器 (ENC1113) 安裝在軸上。三對線(數據、時鐘和電源線)將編碼器連接到收發(fā)器板。EnDat PHY 上有兩個收發(fā)器和用于編碼器的電源。一個收發(fā)器用于時鐘，另一個收發(fā)器用于數據線路。EnDat 主機由 ADSP-CM40x 結合標準外設和軟件而實現。發(fā)送端口和接收端口均利用靈活的 SPORT 實現。

圖 4.實驗設置

EnDat 協議包括多種長度不同的幀，不過這些幀全都基于相同序列，如圖 5 所示。首先，主機發(fā)送命令至從機，然后從機處理命令并執(zhí)行必要的計算。最后，從機將結果送回主機。

圖 5.EnDat 發(fā)送/接收序列

發(fā)送時鐘 (Tx CLK) 由處理器 ADSP-CM40x 產生。由于系統延遲，來自編碼器的數據在返回處理器之前會與發(fā)送時鐘錯相。為補償傳輸延遲 tDELAY，處理器還會產生一個接收時鐘 (Rx CLK)，它比發(fā)送時鐘延遲 tDELAY。讓接收時鐘與自從機收到的數據同相是補償傳輸延遲的有效辦法。

來自處理器的時鐘信號是連續(xù)的，而 EnDat 協議規(guī)定，時鐘只能在通信期間施加于編碼器。在所有其他時候，時鐘線路必須保持高電平。為此，處理器產生一個時鐘使能信號 CLK EN，其被送至 ADM3065E 數據使能引腳。恰好兩個時鐘周期 (2T) 之后，主機開始在 Tx DATA 上發(fā)出命令。

命令有 6 位長，隨后是兩個 0 位。為了控制收發(fā)器的數據方向，處理器在傳輸時將 Tx/Rx EN 位置 1。

在從機準備響應的同時，系統進入等待狀態(tài)，主機繼續(xù)施加時鐘，但數據線無效。當從機準備就緒時，數據線接收數據被拉高，然后立即發(fā)送響應。收到 n 位響應之后，主機將 CLK EN 信號設為低電平以停止時鐘。與此同時，ENC CLK 信號變?yōu)楦唠娖?。數據流為半雙工式， ENC 數據圖為畫在一起的收發(fā)數據流。

實驗結果

圖 6 顯示了 EnDat 系統的測試結果。測試使用的時鐘頻率為 8 MHz，延遲補償通過接收時鐘相移實現。底部信號是來自 EnDat 主機的命令。此處顯示的命令為“發(fā)送位置”，其前面是兩個 0，接著是六個 1，最后又是兩個 0。該命令總共有 10 位。編碼器的響應是從頂部起的第三個信號。合并數據線是從頂部起的第二個信號。最后，頂部信號是施加于編碼器的時鐘。

圖 6.EnDat 數據交換