基于FPGA设计EnDat编码器数据采集后续电路

摘要：随着集成电路技术的发展，FPGA以其体积小、速度快、功耗低、设计灵活、利于系统集成、扩展升级等优点，被广泛地应用于高速数字信号传输及数据处理。EnDat数据接口是适用于编码器的双向数字接口。EnDat可传输编码器的位置值，也能传输或更新保存在编码器中的信息或保存新信息。在此介绍了EnDat接口的特点、功能、时序和数据传输、OEM数据存储，以及编码器数据采集后续电路设计方案，基于FPGA编码器接口的设计，用以进行编码器和DSP处理器之间的通讯。
关键词：EnDat；编码器；FPGA

O 引言
    EnDat接口是HEIDENHAIN专为编码器设计的数字式、全双工同步串行的数据传输协议，具有传输速度快、功能强大、连线简单、抗干扰能力强等优点，是编码器、光栅尺数据传输的通用接口。由于使用了串行传输方式，所以只需四条信号线，在后续电子设备的时钟激励下，数据信息被同步传输。数据类型(位置值、参数、诊断信息等)由后续电子设备发送给编码器的模式指令选择决定。编码器利用自然二进制、循环二进制(格雷码)或PRC码对码盘上的物理刻线进行光电转换，将连接轴的转动角度量转换成相应的电脉冲序列并以数字量输出。它具有体积小、精度高、接口数字化及绝对定位等优点，被广泛应用于转台、机器人、数控机床和高精度伺服系统等诸多领域。

1 EnDat接口介绍
1．1 EnDat接口的特点
    (1)高性能低成本：通用的接口适用于所有的增量和绝对式编码器，更经济的电能消耗，小的尺寸和紧凑的连接方式，快速系统配置，零点可根据偏置值浮动。
    (2)更好的信号质量：编码器内部特别的优化提高了系统精度，为数控系统提供更好的轮廓精度。
    (3)更好的实用性：自动系统配置功能；数字信号提高了系统的可靠性；监控与诊断信息有利于系统的安全；冗余码校验有利于可靠的信号传输。
    (4)提高了系统的安全性：两个独立的位置信息及错误信息位，数据的校验和应答。
    (5)适用于先进的技术发展：(高的分辨率、短的控制周期，最快16 M时钟，安全设计理念)适用于直接驱动技术。
1．2 EnDa2．2编码器性能的提高
    (1)传输位置值与附加信息可同时传输：附加信息的类型可通过存储地址选择码选择。
    (2)编码器数据存储区域包括编码器制造商参数、OEM厂商参数、运行参数、运行状态，便于系统实现参数配置。
    (3)EnDa2．2编码器实现了全数字传输，增量信号的处理在编码器内部完成(内置14 Bit细分)，提高了信号传输的质量和可靠性，可实现更高的分辨率。
    (4)监控和诊断功能，报警条件包括：光源失效、信号幅值不足、位置计算错误、运行电压太低或太高、电流消耗太大等；当编码器的一些极限值被接近或超过时提供警告信号。
    (5)更宽的电压范围(3．6～14 V)和传输速率(16 M)。

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1．3 时序和OEM数据存储
    在每一帧同步数据传输时一个数据包被发送，传输循环从时钟的第一个下降沿开始测量值被保存，计算位置值。在两个时钟脉冲(2T)后，后续电子设备发送模式指令“编码器传输位置值”(带或不带附加信息)。在计算出了绝对位置值后(见图2)，从起始位开始编码器向后续电子设备传输数据，后续的错误位F1和F2(只存在于EnDa2．2指令中)是为所有的监控功能和故障监控服务的群组信号，他们的生成相互独立，用来表示可能导致不正确位置信息的编码器故障。导致故障的确切原因保存在“运行状态”存储区，可以被后续电子设备查询。

    从最低位开始，绝对位置值被传输，数据的长度由使用的编码器类型决定。传输位置值所需的时钟脉冲数保存在编码器制造商的参数中。位置值数据的传输以循环冗余检测码结束。
    位置值如果带附加信息，紧接在位置值后的是附加信息1和2，他们也各以一个CRC结束(见图3)。附加信息的内容由存储区的选择地址决定，然后在后面的采样周期里被传输。在后续的传输中一直传输该信息，直到新的存储区被选择。在数据字的结尾，时钟信号必须置高电平。10～30μs或1．25～3．75μs(EnDat可编程的恢复时间tm)后，数据线回到低电平，然后，新的数据传输可在新的时钟信号下开始。

    同时，编码器为参数提供了不同的存储区，它们可以被后续电子设备读取，这些区域可以被编码器制造商、OEM厂商甚至最终用户写入。一些特定的区域是可以被写保护的。不同系列的编码器支持不同的OEM存储区和不同的地址范围。因此，每一个编码器必须读取OEM存储区的分配信息。基于此原因，后续电子电路应基于相对地址编程，而不能使用绝对地址。

2 EnDat接口后续电子设备的电路设计方案
    全数字化交流伺服系统中采用TMS320F2812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Altera公司的型号为EPlC6Q240C8的Cyclone系列FPGA实现与编码器接口、译码逻辑等功能。同时，在FPGA内部实现了128B的双口RAM，通过总线实现与DSP之间的数据传输，功能框图如图4所示。

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    FPGA内部分为时钟发生模块、发送模块、接收模块、双口RAM模块、发送使能模块5个部分。首先，由时钟发生模块产生周期为0．5μs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，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2MHz。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“000111”，需时6个时钟周期，编码器向FPCA共发送1个起始位、2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19．5μs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(见图5)。

    在FPGA内部实现了128 B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位数据线，7位地址线，用于与DSP通讯，因为TMS320F2812为16位DSP，所以与FPGA中RAM的数据传递极为方便。DSP在每个电流环周期发送一个有效的“BEGIN”信号，19．5μs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，完成一次通讯。
    对FPGA的开发采用XILINX公司的ISE集成环境，硬件描述语言为Verilog HDL语言。图6为程序流程图。

3 结束语
    本文设计了一种基于FPGA的编码器接口，用以进行编码器和伺服驱动器DSP处理器之间的通讯，并且具有CRC校验等纠错功能。本文给出了硬件连接和FPGA程序设计流程，可以实现对永磁同步交流电机磁极位置准确的读取。