微电机 基于ＦＰＧＡ的ＲＣＮ２２３绝对式编码器通讯接口设计 夏加宽，李晓帆 （沈阳工业大学电气工程学院，沈阳１１０１７８） 摘 要：实现了一种基于ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）的绝对式码盘智能接口的设计，用以进行绝对式 编码器和ＤＳＰ处理器之间的通讯。此接口根据ＦＰＧＡ模块化设计的特点，把整个设计任务划分为若干 功能模块，分别对这些模块进行设计，最后把各个功能模块进行综合，以完成整个设计。实验结果表 明，该接口完全可以替代价格昂贵的专用接口芯片，降低产品成本。 关键词：绝对式编码器；接口；ＦＰＧＡ 中图分类号：ＴＰ２７１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１．６８４８（２０１０）Ｏ１—００５４．０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＩｎｔｅＨｉｇｅｎｔ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ Ｈｅｉｄｅｎｈａｉｎ ＲＣＮ２２３ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｅｎｃｏｄｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＸＩＡ Ｊｉａ．ｋｕａｎ．ＬＩ Ｘｉａｏ—ｆａｎ ， （Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１７８．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｅｎｃｏｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ），ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｅｎｃｏｄｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ＤＳＰ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＦＰＧＡ，ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｓｏｍｅ ｍｏｄｕｌｅｓ．Ｔｈｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｏｓｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ ａｎｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ｔｈｅｍ ｔｏ ｆｉｎｉｓｈ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｉｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃａｎ ｔｏｔａｌｌｙ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｈｉｐ，ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｃｏｓｔ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｅｎｃｏｄｅｒ；Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ＦＰＧＡ ０ 引 言 来实现矢量变换和其它算法流程；ＦＰＧＡ用以实现 译码、Ａ、Ｂ、ｚ信号输出、Ｉ／Ｏ扩展等功能，ＦＰ． 光电编码器是一种基本的位置、速度检测反 ＧＡ中尚有很多资源没有得到充分利用。本文研制 馈单元，很广泛的应用于变频器、直流伺服、交 了一种用于交流伺服系统中的基于ＦＰＧＡ的绝对式 流伺服等系统的闭环控制中 ，为了减小编码器 编码器接口，实现与绝对式编码器的双工通讯， 的体积，绝对式光电编码器一般采用串行通讯方式 接收高速数据流，同时在ＦＰＧＡ内部开辟ＲＡＭ空 输出绝对二进制编码，对于伺服电机控制等高端 间，将收到的编码器数据存入ＲＡＭ中，ＤＳＰ可以 场合，为了满足快速的电流环、速度环、以及位 以访问内存的方式读取数据，提高了工作速度。 置环的控制速度需要，编码输出数据速度又应该 同时，该接口还具有ＣＲＣ（循环冗余校验）校验等 非常快，以上不利因素都对绝对式编码的接收增 纠错功能，基本能够替代厂家提供的专用接收芯 加了难度 。 片，大幅度降低了产品成本。 世界各国的绝对式编码器生产厂家大多为其 编码器配套了相应的接收芯片，自动完成串行编 １ ＲＣＮ２２３型绝对式编码器 码到并行编码的转换，方便了控制器的读取操作。 但是由于此类芯片通常价格比较昂贵，大约占绝 国内外绝对式编码器产品种类很多，如日本 对式编码器价格的四分之一。目前国内外高端交 的多摩川精机、内密控、德国的海德汉、美国的 流伺服系统中普遍采用ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ结构，ＤＳＰ用 丹纳赫、国产的长春三峰等 ｊ。其中海德汉的 ＲＣＮ２２３型绝对式编码器采用的是海德汉公司专 用的ＥｎＤａｔ２．２一位置编码器双向数字接口，它传 收稿日期：２００９—０３—１７ 输的数据类型分为位置值，位置值及附加信息或 基金项目：国家自然科学基金项目（５０３７５１０２） －Ｓ４・ 基于ＦＰＧＡ的ＲＣＮ２２３绝对式编码器通讯接口设计一～夏查 宾 篝 参数…。发送的信息类型由模式指令选择。模式 指令决定被发送信息内容。每个模式指令包括三 个Ｂｉｔ。为确保可靠发送信息，每个Ｂｉｔ均采用冗 余发送（反相或两次）。其发送位置值的模式指令 为“０００１１１”。信号传输格式如图１所示。 Ｃ 图１ 编码器信号传输格式图 数据包发送与数据传输同步。传输周期从第 一个时钟下降沿开始。编码器保存测量值并计算 位置值。 两个时钟周期后，后续电子设备发送模式指 令。编码器发送位置值后，从起始位开始由编码 器向后续电子设备传输数据。后续“错误位”一“错 误１”和“错误２”是检测类信号，用于监测故障。 这两个信号相互独立地生成，它表示编码器发生 可导致不正确位置值的故障。发生故障的确切原 因保存在“工作状态”存储器中，并可被详细的 查询。 然后编码器从最低有效位（ＬＳＢ）开始发送绝对 位置值。其长度取决于所用的编码器，ＲＣＮ２２３的 绝对位置值为２３位。位置值的数据发送以循环冗 余校验（ＣＲＣ）结束。 在数据字结尾处，必须将时钟信号置为高电 平。１０ ｓ至３０ ｓ后或１．２５ ｓ至３．７５ ｓ后（系 统时钟大于１ ＭＨｚ时）数据线返回低电平。然后， 时钟信号启动另一次数据发送。 ２绝对式编码器接口的实现 全数字化交流伺服系统中采用ＴＭＳ３２０Ｘ２８１２ 作为控制器，用以实现位置环、速度环和电流环 以及ＳＶＰＷＭ、电压和电流采样等功能。此外，采 用Ａｈｅｒａ公司的型号为ＥＰ１Ｃ６的Ｃｙｃｌｏｎｅ系列ＦＰ． ＧＡ用以实现与绝对式码盘接口、译码逻辑等功 能。同时，在ＦＰＧＡ内部实现了１２８字节的双口 ＲＡＭ，用来与ＤＳＰ之间通过总线实现数据传输。 ＦＰＧＡ部分的功能框图如图２所示 ｊ。 码盘接口部分分为时钟发生模块、发送模块、 接收模块、双口ＲＡＭ模块、发送使能模块五个 部分。 图２ ＦＰＧＡ功能划分框图 首先由时钟发生模块产生周期为０．５ Ｕｓ的方 波信号，取名为ＣＬＯＣＫ，此信号作为通讯同步时 钟信号。在ＣＬＯＣＫ的每个时钟上升沿计数变量 ＣＯＵＮＴ自加１，变量ＣＯＵＮＴ的初始值为０，当发 送使能模块检测到ＣＯＵＮＴ的值为３时，说明编码 器已经将位置值保存完毕，发送使能模块使ＳＥＮＴ —ＥＮ信号有效，发送模块开始发送６位模式指令， 当检测到ＣＯＵＮＴ的值为９时，停止ＣＯＵＮＴ在每 个时钟上升沿计数，停止发送数据并使接收使能 信号ＲＥＣＥＩＶＥ—ＥＮ有效，从而使能接收模块，接 收模块开始检测数据输入信号的上升沿，一旦上 升沿到来说明收到数据起始位ｓ，启动ＣＯＵＮＴ在 每个时钟上升沿计数，以后在每个时钟信号的上 升沿保存位置值，一直到检测到ＣＯＵＮＴ的值为３９ 时，停止接收数据，由接收模块向双口ＲＡＭ模块 的Ａ口写入要保存的位置值，从而结束一次ＦＰＧＡ 与编码器的通讯过程。 由于每次通讯时间是严格固定的，设系统时 钟为２ ＭＨｚ。ＦＰＧＡ为主叫，当时钟下降沿到来时， 编码器保存位置值要２个时钟周期，向编码器发送 “请求数据”控制字共６位，需６个时钟周期，编 码器向ＦＰＧＡ共发送１个起始位、两个“错误位”、 ２３位位置值和５位ＣＲＣ校验位要３１个时钟周期， 共３９个时钟周期，所以每次通讯需要ｌ９．５ ｓ的 时间，并且每个时刻具体需要传递哪一位数据也 是严格确定的。因此采用基于时基的设计方法。 在ＦＰＧＡ内部实现了１２８字节的双口ＲＡＭ空 间，Ａ口具有８位数据线，７位地址线，用于与编 码器通讯，Ｂ口具有１６位数线，７位地址线，用 于与ＤＳＰ通讯，因为ＴＭＳ３２０Ｘ２８１２为１６位ＤＳＰ， 所以与ＦＰＧＡ中ＲＡＭ的数据传递极为方便。 ・５５． 微电机 ＤＳＰ在每个电流环周期发送一个有效的“ｂｅ． ｇｉｎ”信号，１９．５ ｓ之后，码盘信号接收模块将接 收到数据存入ＦＰＧＡ内部双口ＲＡＭ的Ａ口中，并 按顺序排列成１６位数据的形式，然后向ＤＳＰ发送 ｅｎｄ信号，表示一次通讯结束，ＤＳＰ接收到中断之 后从ＦＰＧＡ的双口ＲＡＭ的Ｂ口中读取数据，完成 一图５为码盘与ＦＰＧＡ之间的通讯波形，从位置 信号可以看出该接口工作正常。 次通讯，ＤＳＰ的连接如图３所示。 ＤＳＰ Ｉ／０ ＩＳＲ ｂｅｇｉｎ ｅｎｄ ＦＰＧＡ ＡＤＤＲＥＳＢＵＳ ＤＡＴＡＢＵＳ Ａｄｄｒ［６：０］ ＤＢ【ｌ５：０］ 图５码盘与ＦＰＧＡ之间的通讯波形 图３ ＦＰＧＡ与ＤＳＰ连接方式 ３ 结 语 本文设计了一种基于ＦＰＧＡ的绝对式码盘智能 接口 用以进行绝对式编码器和伺服驱动器ＤＳＰ 处理器之间的通讯。并且具ＣＲＣ校验等纠错功能。 在该接口的研发过程中，对ＦＰＧＡ的开发采用 Ａｌｔｅｒａ公司的Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ ５．０集成环境，硬件描述 语言为ＶＨＤＬ语言。图４为主程序流程图。 该接口基本可以替代价格昂贵的专用接口芯片， 降低产品的成本，促进伺服电机驱动器的国产化 进程。 参考文献 ［１］朱孝立．新型缩微计量光栅传感器开发与应用［Ｊ］．传感器 世界，２００５，（１０）：４７－４９． ［２］于泳，杨明，贵献国，等．基于ＦＰＧＡ的绝对式编码器智能 接口设计［Ｊ］．微特电机，２００８，３６（１）：４－６． ［３］约翰内斯・海德汉博士（中国）有限公司．ＥＮＤＡＴ２．２一位置 编码器双向数字接口．海德汉技术资料． ［４］ＭａｓｔｅｒＣｏｍｐｏｎｅｎｔｆｏｒＥｎＤａｔ２２［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＭＡＺｅＴ．ｄｅ． ［５］周志炜．基于ＦＰＧＡ的多路光电编码器数据采集系统［Ｄ］． 哈尔滨：哈尔滨工、Ｉ 大学，２００６． 作者简介：夏加宽（１９６２一），男，教授，博士生导师，研究 方向为机床伺服电机及其控制。 图４主程序流程简图 更正启事 本刊２００９年第１２期第７１页刊登的《微特电机产业及竞争力分析》一文的作者信息有误，单位应为华 北电力大学电气与电子工程学院，北京 １０２２０６，作者简介应为李珂，男，大学本科在读，去掉从事电 力电子和电机技术研究，特此更正。并向作者表示歉意。 ・５６・
