0 引言
光電碼盤是一種基本的位置、速度檢測反饋單元，非常廣泛地應(yīng)用于變頻器,、直流伺服,、交流伺服等系統(tǒng)的閉環(huán)控制中。為了減小體積,，絕對式編碼器一般采用串行通信方式輸出絕對編碼,，針對伺服電機(jī)控制等高端場合，為了滿足快速的電流環(huán),、速度環(huán),、位置環(huán)的控制需要，編碼輸出的速度又應(yīng)該非?？?，這些不利因素都對絕對式編碼的接收增加了難度。
絕對式編碼器廠家大多為其編碼器配套了接收芯片,，實現(xiàn)串行編碼到并行編碼的轉(zhuǎn)換,，便于控制器的讀取操作。但是此類芯片通常價格比較昂貴,，大約占絕對式編碼器價格的四分之一,。目前國內(nèi)外高端交流伺服系統(tǒng)中普遍采用FPGA+DSP結(jié)構(gòu)。DSP用來實現(xiàn)矢量變換和其它算法流程,；FPGA用以實現(xiàn)譯碼,、A、B,、 Z信號輸出,、I／O擴(kuò)展等功能，F(xiàn)PGA中尚有很多資源沒有得到充分利用,。本文研制了一種用于交流伺服系統(tǒng)中的基于FPGA的絕對式編碼器智能接口,，實現(xiàn)與絕對式編碼器的雙工通信，接收高速數(shù)據(jù)流,，同時在FPGA內(nèi)部開辟RAM空間,，將收到的編碼器數(shù)據(jù)存入RAM中，DSP可以以訪問內(nèi)存的方式讀取數(shù)據(jù),，提高了工作速度,。同時，該接口還具有奇偶校驗等糾錯功能,，完全可以替代廠家提供的接收芯片,，大幅度降低了產(chǎn)品成本。
1 RCN226型絕對式編碼器
國內(nèi)外絕對式編碼器生產(chǎn)廠商很多,，如日本的多摩川精機(jī),、德國的海德漢,、國產(chǎn)的長春三峰等。其中海德漢的RCN226型絕對式編碼器采用的是海德漢公司專用的EnDat2．2一位置編碼器雙向數(shù)字接口,，它傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型分為位置值,、位置值及附加信息或參數(shù)。發(fā)送的信息類型由模式指令選擇,。模式指令決定被發(fā)送信息的內(nèi)容,。每個模式指令包括三個位。為確?？煽堪l(fā)送信息,，每個位均采用冗余發(fā)送(反相或兩次)。其發(fā)送位置值的模式指令為"000111",。信號傳輸格式如圖1所示,。
數(shù)據(jù)包發(fā)送與數(shù)據(jù)傳輸同步。傳輸周期從第一個時鐘下降沿開始,。編碼器保存測量值并計算位置值,。兩個時鐘周期后，后續(xù)電子設(shè)備發(fā)送模式指令,。編碼器發(fā)送位置值后，從起始位開始由編碼器向后續(xù)電子設(shè)備傳輸數(shù)據(jù),。后續(xù)"錯誤位"-"錯誤1"和"錯誤2"是檢測類信號,，用于監(jiān)測故障。這兩個信號相互獨立地生成,，它表示編碼器發(fā)生可導(dǎo)致不正確位置值的故障,。發(fā)生故障的確切原因保存在"工作狀態(tài)"存儲器中，并可被詳細(xì)地查詢,。然后編碼器從最低有效位(LSB)開始發(fā)送絕對位置值,。其長度取決于所用的編碼器，RCN226的絕對位置值為26位,。位置值的數(shù)據(jù)發(fā)送以循環(huán)冗余校驗(CRC)結(jié)束,。在數(shù)據(jù)字結(jié)尾處，必須將時鐘信號置為高電平,。10至30 μ s后或1．25至3．75 μ s后(系統(tǒng)時鐘大于1MHz時)數(shù)據(jù)線返回低電平,。然后，時鐘信號啟動另一次數(shù)據(jù)發(fā)送,。
2 絕對式編碼器接口的實現(xiàn)
全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)中采用TMS320X2812作為控制器,，用以實現(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公司的型號為FP1C6的~Cyclone系列FPGA，用以實現(xiàn)與絕對式碼盤接口,、譯碼邏輯等功能,。同時，在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)了256字節(jié)的雙口RAM,，用來與DSP之間通過總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,。FPGA部分的功能框圖如圖2P所示。
碼盤接口部分分為發(fā)送模塊,、接收模塊,、雙口RAM模塊、主程序模塊四部分,。由于每次通信時間是嚴(yán)格固定的,，設(shè)系統(tǒng)時鐘為2MHz。FPGA為主叫,，向編碼器發(fā)送"請求數(shù)據(jù)"控制字共6位,，需時3 μs，編碼器向FPGA共發(fā)送1個起始位,、兩個"錯誤位",、26位位置值和5位CRC校驗位，共34位的數(shù)據(jù)共需時17 μs,，所以每次通信需要20 μs的時間,，并且每個時刻具體需要傳遞哪一位數(shù)據(jù)也是嚴(yán)格確定的。因此采用基于時基的設(shè)計方法,。
FPGA內(nèi)部設(shè)計了一個時基為20ns的計數(shù)器,，每20ns加1，作為整個電路的時基,，根據(jù)這個時基來確定每一時刻收到的數(shù)據(jù)具體屬于哪個位,。在FPGA 內(nèi)部實現(xiàn)了256bytes的雙口RAM空問，A口具有8位數(shù)據(jù)線,，8位地址線,，用于與編碼器通信，B口具有16位數(shù)據(jù)線,，8位地址線,，用于與DSP通信，因為TMS320X2812為16位DSP,，所以與FPGA中RAM的數(shù)據(jù)傳遞極為方便,。
DSP在每個電流環(huán)周期發(fā)送一個有效的"begin"信號，20μs之后,，碼盤信號接收模塊將接收到的數(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，表示一次通信結(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),，完成一次通信， DSP的連接如圖3所示,。
在本接口的研發(fā)過程中,，對FPGA的開發(fā)采用Altera公司的Quartus II 5.1集成環(huán)境，硬件描述語言為VHDL語言,。圖4為主程序流程圖,。
圖5為碼盤與FPGA之間的通信波形，從位置信號可以看出該接口工作正常,。
3 結(jié)束語
本文設(shè)計了一種基于FPGA的絕對式碼盤智能接口,，用以進(jìn)行絕對式編碼器和伺服驅(qū)動器DSP處理器之間的通信。并且具CRC校驗等糾錯功能,。該接口基本可以替代價格昂貴的專用接口芯片,，降低產(chǎn)品的成本，促進(jìn)伺服電機(jī)驅(qū)動器的國產(chǎn)化進(jìn)程,。