摘要：本文簡(jiǎn)要講述了多摩川串行絕對(duì)值編碼器的特點(diǎn)及數(shù)據(jù)通訊采用AU5561、可編程FPGA及采用微控制器高速串口的實(shí)現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)通訊的三種方案。

多摩川絕對(duì)值編碼器：

日本多摩川（TAMAGAWA)精機(jī)株式會(huì)社成立與1938年。多摩川屬于技術(shù)立足與地域立足型企業(yè)，會(huì)社成立70多年來作為精密機(jī)械和多種檢測(cè)機(jī)械工具與傳感器制造商，從航空、宇宙、國(guó)防工業(yè)、到電機(jī)傳感器等民用工業(yè)設(shè)備，其一直保持世界領(lǐng)先的地位。

在編碼器領(lǐng)域，多摩川有40多年的制造研究歷史，其超精密的角度檢測(cè)儀，角度計(jì)測(cè)分解能夠達(dá)到0.001秒，角度的再現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)0.005秒。多摩川單圈17bit多圈16bit的絕對(duì)值編碼器已投放市場(chǎng)多年，在中國(guó)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人及數(shù)控自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，現(xiàn)已向國(guó)內(nèi)推出解析度高達(dá)單圈23bit多圈16bit的絕對(duì)值編碼器：”TS5700N8401”。

多摩川絕對(duì)值編碼器TS5700N8401編碼器簡(jiǎn)介：機(jī)械結(jié)構(gòu)與國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)使用的OIH48錐軸編碼器一致，可直接安裝替代。能夠?qū)崿F(xiàn)單圈23bit多圈16bit總計(jì)39bit的高解析度。

工作電源電壓5V，主電源掉電情況下，依靠電池電路部分測(cè)量多圈數(shù)據(jù)變化，電池電流消耗低至60μA。

數(shù)據(jù)通訊是基于485硬件接口標(biāo)準(zhǔn)NRZ協(xié)議，通訊波特率為2.5M的串行通訊。CRC循環(huán)循環(huán)冗余校驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)出錯(cuò)導(dǎo)致異常的問題發(fā)生。通訊距離可達(dá)到20米。

編碼器具備狀態(tài)自檢功能，對(duì)于電池欠壓、失效、編碼器計(jì)數(shù)錯(cuò)誤、過速度、碼盤故障等可通過編碼器狀態(tài)位讀取出來。

控制器或驅(qū)動(dòng)器可通過單獨(dú)的指令對(duì)單圈數(shù)據(jù)或多圈重置零位，可清除故障標(biāo)志位。

內(nèi)置768字節(jié)EEPROM,可擦寫一萬(wàn)次以上，可寫于電機(jī)相關(guān)信息，對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別提供了可行的途徑。

多摩川串行絕對(duì)編碼器通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

串行波特率：2.5M

起始位：1bit

停止位：1bit

數(shù)據(jù)位：8bit

對(duì)于讀取編碼器單圈、多圈、全部數(shù)據(jù)、及復(fù)位狀態(tài)只需發(fā)送一個(gè)字節(jié)控制數(shù)據(jù)。

編碼器應(yīng)答數(shù)據(jù)：包括接收到的控制字，及編碼器狀態(tài)字、編碼器ID（能夠識(shí)別編碼器基本類型），及編碼器數(shù)據(jù)。最后一個(gè)字節(jié)為對(duì)前面所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

對(duì)于編碼器內(nèi)部EEPROM數(shù)據(jù)讀取需發(fā)送三個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，讀取EEPROM數(shù)據(jù)控制字、EEPROM數(shù)據(jù)地址、CRC效驗(yàn)碼。

編碼器應(yīng)答數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括EEPROM數(shù)據(jù)控制字、EEPROM數(shù)據(jù)地址、EEPROM數(shù)據(jù)、CRC效驗(yàn)碼。

讀取一次編碼器全部數(shù)據(jù)需要60μS左右。為伺服電機(jī)提供高速度位置響應(yīng)提供了可能。

多摩川串行絕對(duì)值編碼器數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)的三種方案：

1.通過多摩川智能接收芯片AU5561N1實(shí)現(xiàn)：

AU5561芯片可以解碼TS5647、TS5648、TS5667、TS5668、TS5669、TS5700系列的編碼器。可以將40位到110位串行信號(hào)轉(zhuǎn)換并行信號(hào)，能夠提供中斷信號(hào)與CPU同步并，可以和16位或32位CPU或DSP總線街道口連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接。它也可以工作在沒有CPU的模式，手動(dòng)模式下讀取編碼器(單回轉(zhuǎn)、多回轉(zhuǎn)、及報(bào)警狀態(tài)為）數(shù)據(jù)。

2.通過FPGA方式實(shí)現(xiàn)：

VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可是部分,及端口)和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。

多摩川可提供VHDL硬件編程源代碼AU5982，幫助客戶快速實(shí)現(xiàn)將編碼器串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)對(duì)編碼器的數(shù)據(jù)通訊。

3.通過CPU高速串口DMA實(shí)現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)通訊：

常規(guī)8位及16微處理器串口波特率通常最高只有256Kbit左右，而多摩川常規(guī)絕對(duì)值編碼器需要的波特率為2.5M，部分編碼器波特率為5M。所以只有少數(shù)高速32位微控制器支持。

這里以意法半導(dǎo)體的STM32F429為例講解如何使用DMA通過串口實(shí)現(xiàn)編碼數(shù)據(jù)通訊。

DMA一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作，允許在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器之間直接讀寫數(shù)據(jù)，既不通過CPU，也不需要CPU干預(yù)。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸操作在一個(gè)稱為"DMA控制器"的控制下進(jìn)行的。CPU除了在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時(shí)做一點(diǎn)處理外，在傳輸過程中CPU可以進(jìn)行其他的工作。這樣，在大部分時(shí)間里，CPU和輸入輸出都處于并行操作。因此，使整個(gè)系統(tǒng)的效率大大提高。

CPU的通用串行接口USART3作為編碼器通訊接口，485發(fā)送接受使能端口使用PE11IO口控制。

USART1端口參數(shù)設(shè)置如下：

波特率：2.5M

開始位：1位

停止位：1位

數(shù)據(jù)位：8位

校驗(yàn)位：無

發(fā)送：使能

接收：使能

串口DMA發(fā)送：使能

串口DMA接收：使能

串口DMA通道發(fā)送端設(shè)置：

外設(shè)地址：串口數(shù)據(jù)寄存器

內(nèi)存地址：發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)存地址

DMA傳輸方向：從存儲(chǔ)器到外設(shè)

DMA數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度：實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)

外設(shè)數(shù)據(jù)字長(zhǎng)：1個(gè)字節(jié)

內(nèi)存數(shù)據(jù)字長(zhǎng)：1個(gè)字節(jié)

設(shè)置DMA的內(nèi)存遞增模式：為增量模式

DAM數(shù)據(jù)傳輸完成中斷：開

串口DMA通道接收端設(shè)置：

外設(shè)地址：串口數(shù)據(jù)寄存器

內(nèi)存地址：發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)存地址

DMA傳輸方向：從外設(shè)存儲(chǔ)器到

DMA數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度：實(shí)際接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)

外設(shè)數(shù)據(jù)字長(zhǎng)：1個(gè)字節(jié)

內(nèi)存數(shù)據(jù)字長(zhǎng)：1個(gè)字節(jié)

設(shè)置DMA的內(nèi)存遞增模式：為增量模式

DAM數(shù)據(jù)傳輸完成中斷：開

具體數(shù)據(jù)通訊流程如下：

總結(jié)：第一種方案使用AU5561串行轉(zhuǎn)并行芯片適合系統(tǒng)無FPGA芯片廠商，常規(guī)伺服驅(qū)動(dòng)器廠商可以采用第二種方案采用FPGA多摩川提供源代碼，第三種方案適合MCU支持高速串口、DMA功能的產(chǎn)品。