CUI编码器的串行协议选项

问：CUI编码器的串行协议选项

根据应用情况，控制器或变速电机驱动器可能需要测量转子速度、位置和方向的任意组合。旋转编码器是针对这类应用很合适的设备，它可以是相对于参考点给出位置的增量类型，也可以是表示每个转子位置的唯一编码的绝对编码器。尽管这两种类型的工作原理相似，但绝对式编码器能够在系统开启后立即确定转子位置，而无需初始化，并且在意外断电时可以跟踪位置。

位置检测通常使用光学传感(计数和比较编码轮上的标记)或电子传感(检测编码轮转动时的电容变化)来执行。选择电容式编码器，如CUI的AMT系列绝对式编码器，可以消除因编码轮上的由于污垢、油脂，或错误及虚假照明而导致的光学错误。CUI的专利电容技术确保了高可靠性和低维护。

编码器通信协议选项

在编码器的选型时，另一个需要重点考虑的因素是编码器如何连接到主机系统，尤其是要选择最合适的通信接口。供应商可以提供各种输出的编码器，从简单的TTL电平输出到工业以太网或专有标准。而大家所熟悉的串行接口标准，是最流行和最广泛使用的标准之一，其包括RS-485(又名TIA/EIA-485)、SPI(串行外围接口)和SSI(同步串行接口)。设计者如何选型主要取决于主机系统上可用的接口，以及协议延迟、最大数据速率、编码器和主机之间的连接距离，以及所需的抗扰度等因素。

串行外围接口(SPI )

SPI支持由时钟信号协调的双向同步交互。同步通信由于消除了对建立公共数据速率或传输位数的需要，简化了主设备和从设备之间的交互。主输出-从输入(MOSI)和主输入-从输出(MISO)数据连接允许全双工通信。大量主机控制器都内置了SPI端口。再加上调整数据速率的能力，使得SPI成为一种非常便利的连接接口，只需最少的额外网络电路即可实现。

主机通过断言适当的芯片选择信号从给定的从机请求数据，从机可以立即响应。这使得CUI的SPI编码器(如AMT22系列等)能够极其快速地向主机提供位置反馈。当通过SPI连接访问AMT22时，AMT22给出当前位置，可以指示其设置零点或使用扩展命令重置编码器。该编码器2 MHz的最大时钟速度允许数据转移到输入缓冲区，以便在1500ns内开始读取。

图1：具有共享时钟信号、MOSI和MISO以及独特芯片选择线的典型SPI配置

SPI连接是单端的，最适合一米以下的短连接距离。不过，其可以通过动态调整数据速率，允许设备以较慢的速度在更长的距离内运行。

RS-485接口

如果编码器距离主机较远，或者工作环境中存在明显的电气噪声，RS-485差分信号可以提供更高的防错误或抗干扰免能力。RS-485通信是异步的，因此不需要时钟信号。这种方案需要一个专用的RS-485收发器，根据距离的不同，通信速度可高达10 Mbps甚至更高。

RS-485的数据通过双绞线进行交换，双绞线必须使用相当于电缆特性阻抗的电阻正确端接，该电阻通常位于电缆的每一端。可以有多个编码器连接到RS-485串行总线，理想情况下，使用电缆和编码器之间的连接要尽可能短。

图2：带有主机和多个编码器的典型RS-485配置

CUI的AMT21系列编码器专为连接RS-485串行总线而设计，其使用四个引脚连接，包括电源、接地和两个差分连接。其默认协议是8N1(8个数据位，无奇偶校验，1个停止位)，其中两个较低的位定义给编码器的命令，其余位包含编码器地址。这允许多达64个编码器共享总线。当控制器输入编码器地址和命令以读取总线上的位置数据(或多圈编码器的圈数)时，目标编码器会在三微秒内响应。该编码器还有两个扩展命令用于设置零位和重置编码器。

同步串行接口(SSI )

SSI通常是一种同步单工单向主从通信协议，使用差分信令，没有芯片选择信号。这使得与编码器的连接变得简单且成本较低，其具有动态速度调节功能，同时差分连接也提供了较高的抗噪特性。

CUI的AMT23系列绝对编码器是适用于SSI的产品，其通过单端通信和使用芯片选择连接让主机激活总线上的单个编码器，因此可以节省一根导线。与SPI不同，这种方案主机不发送命令，编码器仅通过在总线上放置位置数据来响应，简化了主机和编码器之间的接口。CUI设备的SSI接口与具有芯片选择功能的现成SSI控制器兼容。该方案典型的连接长度和噪声性能与SPI类似。

图3：典型的三线SSI配置，具有共享的时钟和数据线以及独特的芯片选择线

本文小结

CUI多样的绝对编码器产品组合为工程师提供了灵活的选项，可以根据实际应用选择合适的编码器，并简化与主机系统的互连。当需要长距离连接或高抗噪性能时，差分RS-485接口是一个更好的选择，它同时可以实现高速通信。此外，SPI易于设计实现，对于网络的需求较少，并且大量市面上的通用微控制器都支持这一接口。最后，SSI的同步通信和减少布线的特点也使其成为编码器方案设计时一种简单、低成本的选择，由于其采用差分信号还提供了额外的抗噪特性。

原文标题：电机控制编码器选型：三种常见串行接口配置，哪一个适合你?

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审核编辑：汤梓红