亨士樂(lè)絕對(duì)值編碼器在實(shí)現(xiàn)電機(jī)串行通信中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

目前，家用數(shù)控機(jī)床中的伺服電機(jī)一般都配備了增量式編碼器，但增量式編碼器的精度不是很高，輸出是并行信號(hào)。為了提高其精度，有必要對(duì)編碼器的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，這很難提高并行信號(hào)的輸出，不利于伺服單元與編碼器之間的遠(yuǎn)程通信。亨士樂(lè)絕對(duì)值編碼器不僅比增量式編碼器精確數(shù)倍，而且其信號(hào)通過(guò)高速串行通信輸入和輸出，為遠(yuǎn)程通信節(jié)省了通信線(xiàn)路。在編碼器的另一端，CPLD用于與絕對(duì)值編碼器的高速串行通信。然后，CPLD將接收到的編碼器信息轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)剿欧卧械腄SP進(jìn)行操作控制。本文介紹了CPLD與絕對(duì)值編碼器之間高速串行通信的軟硬件設(shè)計(jì)方案。

硬件設(shè)計(jì)

硬件主要由三個(gè)模塊組成：電源、CPLD及其外圍電路和絕對(duì)編碼器接口電路。


電源模塊

基于EPM570T144C5和亨士樂(lè)絕對(duì)值編碼器的串行電機(jī)通信應(yīng)用設(shè)計(jì)

圖中的開(kāi)關(guān)電源將220V交流電源電壓轉(zhuǎn)換為+5V、+15V、-15V。開(kāi)關(guān)電源可以濾除電網(wǎng)中的各種噪聲，開(kāi)關(guān)電源中的變壓器將220VAC連接到輸出+5V、+15V、-15V隔離，內(nèi)部電路還使用TL431調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管線(xiàn)脈沖寬度，因此具有抗干擾、安全、，開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性和電壓調(diào)節(jié)性更好。

TPS7333是一款DC/DC芯片，可將+5V直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+3.3V直流電壓，供CPLD使用。TPS7333具有更好的轉(zhuǎn)換效率、可靠性和電壓穩(wěn)定性。它在10V的電壓范圍內(nèi)具有+3.77V~+3.3V的單輸入電壓，因此CPLD不會(huì)因輸入電壓過(guò)高而燒毀。

CPLD及其外圍電路模塊

CPLD及其外圍電路模塊主要由CPLD、CPLD編程下載接口電路（JTAG接口）、DSP接口電路、有源晶體振蕩器、電平轉(zhuǎn)換電路、ADM485及其外圍電路（負(fù)責(zé)與編碼器通信的接口電路）組成（圖2）。


JTAG接口主要用于下載CPLD中的可執(zhí)行文件，在PC機(jī)上安裝Altera的開(kāi)發(fā)環(huán)境QUARTUS II，并在此開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯編寫(xiě)的VHDL程序，以確保編譯無(wú)錯(cuò)誤且功能已實(shí)現(xiàn)。，將下載電纜連接到JTAG接口，并通過(guò)QUARTUS II提供的編程下載工具下載CPLD PCB。

DSP接口由8條數(shù)據(jù)線(xiàn)、3條地址線(xiàn)和1條控制線(xiàn)組成。8條數(shù)據(jù)線(xiàn)負(fù)責(zé)傳輸編碼器數(shù)據(jù)和其他信息，3條地址線(xiàn)負(fù)責(zé)在CPLD終端傳輸DSP命令和解碼，CPLD根據(jù)解碼得到的指令，通過(guò)8條數(shù)據(jù)線(xiàn)向DSP傳輸編碼數(shù)據(jù)或其他信息，控制線(xiàn)主要完成CPLD與DSP的同步控制。

20M有源晶體振蕩器主要為CPLD提供參考時(shí)鐘。在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，CPLD產(chǎn)生2.5 Mb/s的波特率以與編碼器通信，并為一些邏輯控制信號(hào)振蕩器產(chǎn)生10 MHz時(shí)鐘。20 MHz的時(shí)鐘頻率要求電源提供3.3 V的直流電壓。

電平轉(zhuǎn)換電路主要負(fù)責(zé)將3.3V電壓轉(zhuǎn)換為5V或?qū)?V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，因?yàn)镃PLD的核心和I/O端口所需的電源電壓為3.3V，而ADM485和絕對(duì)值編碼器要求電源電壓和I/O端口驅(qū)動(dòng)電壓均為5V，因此，有必要使用LVC4245A電平轉(zhuǎn)換芯片將3.3V轉(zhuǎn)換為5V或5V轉(zhuǎn)換為3.3V。

ADM485及其外圍電路是CPLD和絕對(duì)值編碼器之間高速通信的硬件連接。ADM485的工作電壓為5V，最大通信速率為5Mb/s。使用兩個(gè)ADM485芯片進(jìn)行對(duì)接通信可以提高通信線(xiàn)路上的抗干擾能力，最長(zhǎng)傳輸距離可達(dá)1.2km。其外圍電路如圖3所示。虛線(xiàn)的右半部分屬于絕對(duì)值編碼器的外部電路。上拉和下拉電阻器均為1千歐，限流電阻器為220Ω。ADM485的SDAT是數(shù)據(jù)輸出引腳，ADM485的SRQ是數(shù)據(jù)輸入引腳，ADM485的DE是外部控制引腳，該引腳由CPLD控制，因?yàn)镽S-485通信協(xié)議是半雙工的，所以當(dāng)ADM485的DE高時(shí)，ADM485只能在ADM485時(shí)處于發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，ADM485處于數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)（即CPLD正在接收數(shù)據(jù)）。當(dāng)ADM485的DE低時(shí)，ADM485處于數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)（即CPLD正在發(fā)送數(shù)據(jù)）。


亨士樂(lè)絕對(duì)值編碼器接口模塊

絕對(duì)值編碼器接口模塊是指絕對(duì)值編碼器內(nèi)部的電源和信號(hào)輸入輸出接口電路。其電路與上述ADM485及其外圍電路相同。它還使用了ADM485芯片和一些上拉和限流電阻器。如圖3所示，虛線(xiàn)的左半部分表示絕對(duì)編碼器的內(nèi)部接口電路，該電路負(fù)責(zé)連接到外部ADM485（虛線(xiàn)的右半部分）。ADM485由內(nèi)部控制芯片控制，當(dāng)編碼器接收到CPLD發(fā)送的命令時(shí)，控制芯片做出判斷并發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將ADM485的DE驅(qū)動(dòng)到高電平，即使ADM485處于發(fā)送狀態(tài)，數(shù)據(jù)也被發(fā)送，控制芯片將ADM485的DE控制在低電平。電平狀態(tài)便于隨時(shí)從CPLD獲取命令。

軟件設(shè)計(jì)

軟件是指CPLD的VHDL程序，主要由六個(gè)子軟件模塊組成：分頻器、接收DSP控制命令、CPLD邏輯控制、波特率發(fā)生器、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)、串并轉(zhuǎn)換和發(fā)送數(shù)據(jù)（圖4）。


分離模塊

分頻器模塊主要將20MHz輸入時(shí)鐘頻率分為10MHz和2.5MHz時(shí)鐘頻率，其中10MHz時(shí)鐘主要用于CPLD邏輯控制模塊，2.5MHz時(shí)鐘主要用于確定波特率發(fā)生器模塊。

接收DSP控制命令模塊

接收DSP控制命令的模塊實(shí)時(shí)采集DSP發(fā)送的控制信號(hào)，并對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼。解碼完成后，它立即被傳輸?shù)紺PLD邏輯控制模塊。

CPLD邏輯控制模塊

CPLD邏輯控制模塊是所有CPLD軟件的核心。接收到解碼數(shù)據(jù)后，它立即執(zhí)行邏輯控制操作，并快速控制接收和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊，以及串行到并行轉(zhuǎn)換和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊。

波特率發(fā)生器模塊

波特率發(fā)生器模塊主要為接收和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊提供2.5 Mb/s的波特率。

收發(fā)數(shù)據(jù)模塊

收發(fā)數(shù)據(jù)模塊是整個(gè)CPLD軟件的重要組成部分。它主要負(fù)責(zé)與絕對(duì)編碼器的高速通信。由于其通信方式為異步串行通信，其波特率、通信數(shù)據(jù)格式和RS-485通信協(xié)議必須與絕對(duì)值編碼器相同。

串行到并行轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)模塊

串并轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)模塊主要將接收到的編碼器串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)鎖存在CPLD鎖存器中。當(dāng)CPLD邏輯控制模塊控制傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它被鎖存在CPLD中。鎖存器中的數(shù)據(jù)與DSP并行發(fā)送，以便DSP執(zhí)行算術(shù)控制。

后記

本設(shè)計(jì)完成了所有的硬件和軟件設(shè)計(jì)。用亨士樂(lè)絕對(duì)值編碼器讀取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)僅需31ms，通信速率可達(dá)2.5Mb/s。將此設(shè)計(jì)與伺服驅(qū)動(dòng)單元相結(jié)合，可驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)6000rpm，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置精度可高達(dá)1000mM。

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