一种绝对式光电编码器的通信协议设计

何英武，莫元劲，韦 凤

（广州数控设备有限公司，广东广州 510530）

一种绝对式光电编码器的通信协议设计

何英武，莫元劲，韦 凤

（广州数控设备有限公司，广东广州 510530）

编码器是现代化工业设备快速发展的重要环节，提出一种新的绝对式光电编码器通信协议设计，该设计主要介绍了在三个基本工作模式下的数据传输格式，以及各数据帧的具体格式；同时，还对各模式的运行响应时间进行计算；最后，将该通信协议应用到国产编码器中，能完全实现最初设计功能。设计的编码器通信协议具备传输速度较快、电气连接结构较简单以及较高稳定性等特点，可广泛应用于各类编码器中。

编码器；通信协议；数据帧格式；时序

1 概述

随着精密数控机床、工业机器人等现代化工业化设备的快速发展，对伺服驱动系统提出了越来越高的要求，高速、高精度是伺服驱动系统未来的发展方向，而编码器作为伺服驱动系统最常用的位置检测环节，毫无疑问是提高其速度、精度的关键环节之一。

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器[1]，它具有体积小、分辨度高、寿命长等特点，是目前伺服系统中应用最多的传感器。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，可以直接读出角度坐标的绝对值，没有累积误差，电源切除后位置信息不会丢失，它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关，因此，绝对式光电编码器更适合应用于高速、高精度的伺服驱动系统。本文将以绝对式光电编码器为对象，对其通信协议进行设计。

2 绝对式光电编码器构成及原理

绝对式光电编码器[2]是直接输出数字量的传感器，它是由光电码盘和光电检测装置组成，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，工作时，码盘的一侧放置光源，另一侧放置光电接收装置[3]，如图1所示。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，码盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。当码盘处于不同位置时，光电元件接收光信号，并转换出相应的电信号，形成二进制数[4]。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，理论上其码盘必须有N条码道。

图1 光电编码器原理示意图

3 绝对式编码器通信协议设计

所谓编码器通信协议，是指编码器与后续电子设备之间的通信，这里的后续电子设备可以是单片机、CPLD/FPGA、DSP、ARM或ASIC等大家熟知的电子器件[1]。在研究了国际上现有的多种通信协议后，认为多摩川公司的通信协议具有电气连线简单、通信可靠等特点，因此，本文在多摩川编码器通信协议的基础上，提出一种新的绝对式编码器通信协议设计，该通信协议的设计包含但不仅限于多摩川通信协议，下面将从电气连接和通信协议数据帧两方面进行介绍。

3.1 电气连接

绝对式光电编码器的电气连接如图2所示。两根数据线采用RS-485接口，通过一块RS-485驱动芯片与后续电子设备通信，驱动芯片有一个发送器和接收器。后续电子设备通过切换驱动芯片的工作状态，向编码器发送数据，或者接收编码器发送的数据。

3.2 通信协议数据帧

后续电子设备与编码器通信采取“一问一答”[5]的方式，由后续电子设备向编码器发送相应的控制指令，编码器根据接收到的不同控制指令反馈不同的数据，本文介绍的通信协议主要包括三种模式：（1）读取编码器信息模式；（2）读取编码器内EEPROM模式；（3）写入编码器内EEPROM模式。

3.2.1 通信协议模式

（1）读取编码器信息模式

读取编码器信息模式如图3所示，由后续电子设备向编码器发送“读取编码器信息”控制指令，编码器接收到该控制指令，立即锁定当前的数据值，并按照设定的算法进行运算和校验，最终经过处理的数据值由编码器反馈至后续电子设备。读取编码器信息模式是编码器最主要的工作模式。

后续电子设备向编码器发送控制帧KZ，编码器根据该控制帧KZ的要求，输出控制帧KZ、状态帧ZT、数据帧SJn和数据校验帧CRC。其中使用数据帧SJn的个数要根据发出的控制指令要求决定，本设计中n=4～10。

图2 电气连接图

图3 读取编码器信息数据帧格式图

（2）读取编码器内EEPROM模式

读取编码器内EEPROM模式如图4所示，由后续电子设备向编码器发送“读取编码器内EE⁃PROM”指令，读取编码器内EEPROM指定地址上的数据，编码器按该指令输出数据。

图4 读取编码器内EEPROM数据帧格式图

后续电子设备向编码器发送控制帧KZ、地址帧DZ和数据校验帧CRC，其中控制帧KZ包含要求读取EEPROM的控制指令，编码器输出控制帧KZ、地址帧DZ、数据帧ESJ和数据校验帧CRC。

（3）写入编码器内EEPROM模式

写入编码器内EEPROM模式如图5所示，由后续电子设备向编码器发送“写入编码器内EE⁃ PROM”指令，将相应数据写入编码器内EE⁃PROM的指定位置上，以实现对编码器内EE⁃PROM的数据变更。

图5 写入编码器内EEPROM数据帧格式图

后续电子设备向编码器发送控制帧KZ、地址帧DZ、数据帧ESJ和数据校验帧CRC，其中控制帧KZ包含要求写入EEPROM的控制指令，将数据帧ESJ的数据写入地址帧DZ指定的位置，编码器根据指令相应输出控制帧KZ、地址帧DZ、数据帧ESJ和数据校验帧CRC。

3.2.2 各数据帧格式

在本设计中，各数据帧的位数不是固定的，根据具体的功能来设定，同时，每个数据帧以“0”为起始位，“1”为结束位，起始位和终止位并不代表编码信息内容。

（1）控制帧KZ

控制帧KZ的格式如图6所示，控制帧包含相应的控制命令，用来控制编码器的工作状态。传输过程中没有时钟同步，同步码用来同步传输，在没有数据传输时，数据线拉高为高电平，当编码器或电子设备端检测到低电平时，即认为检测到数据帧，通信速率可变化，根据应用场合不同，可设置高低不同的通信速率，一般设置在2 Mbit/s～10 Mbit/s之间，在本文中通信速率默认为5 Mbit/s；控制指令bit的个数可以根据实际要求设定，本文设计的bit为4～8个，为便于计算，图6表示4个bit的情况，另外还有一个控制命令校验位kjy，是对4个bit控制命令的奇偶校验，以保证信息发送可靠，控制指令具体内容见表1。

（2）状态帧ZT

状态帧ZT格式如图7所示。状态帧包含了编码器相应的工作状态。信息位bit个数可设为4～8个bit，为便于计算，图7中表示4个bit位的格式情况。表2中列出部分具体的内容定义；编码错误报警位cb0和cb1，通信报警位tb0和tb1，正常状态置“0”，当置“1”时表示的具体报警情况见表3。

图6 控制帧格式

表1 控制指令功能表

图7 状态帧格式

表2 状态信息表

表3 报警信息表

（3）数据帧SJn（DZ/ESJ）

数据帧格式如图8所示。数据帧SJn中包含编码信息，具体为单圈数据和多圈数据。数据位包含8个bit，由于编码器单圈位数和多圈位数往往在十位以上，所以在表示多位单圈数据或多圈数据时，需要用几个数据帧表示。例如当一个绝对式光电编码器的单圈位数为17位，故至少需3个数据帧表示单圈数据。

图8 数据帧格式

编码数据采用低位对齐的方式，即编码信息由低位从第一个数据帧第一个数据位开始传输。数据帧多出编码位数的数据位则置“0”。编码器根据后续电子设备发送的控制帧中控制命令决定输出数据帧的内容，包括单圈数据，多圈数据以及数据帧的个数，最少输出1个数据帧，最多输出n个数据帧，数据帧设置与数据位信息见表4，另外，地址帧DZ和数据帧ESJ的格式与数据帧SJn相同。

表4 数据帧信息表

表4中：ABS0～ABS2表示单圈数据，其中，ABS0/ABS2表示在24个bit里的低位/高位数据，例如，表示一个绝对式光电编码器的单圈位数为17位，ABS0和ABS1仅有16位数据，因此，ABS2第一个数据位要占用，其余高七位的数据置0。

ABM0～ABM2表示多圈数据，数据帧的应用原理同上述单圈数据。

SJn中，n=4～10。

ESJ表示读/写EEPROM的数据。

（4）数据校验帧CRC

CRC帧具体格式如图9所示，数据校验帧包含CRC校验码，接收完数据时可通过CRC校验检测数据的完整性。CRC校验帧的数据位为m个bit，m=8～16，为方便计算，图9表示8个bit的数据情况，CRC编码校验的计算公式可根据校验要求设定，本文初步设计的两个计算公式为G(X)= Xm+Xm-5+1或G(X)=Xm+1。起始位和结束位不参与校验运算。

图9 校验帧格式

3.2.3 通信协议时序逻辑

本设计中编码器在通信过程中无时钟同步，传输速率默认是5 Mbit/s，若有P个bit，则传输时间的计算式为：

t=200 ns/bit×p bit

例如，计算控制帧的传输时间（为便于计算，上述各数据帧的格式在图中表示均为10个bit，本文的所有帧均以10 bit计算，但实际应用中可根据需要改变各帧的格式长度），控制帧为10 bit，则控制帧的传输时间为t=200 ns/bit×10 bit= 2 000 ns=2μs。另外，编码器在接收后续电子设备发送的数据后，设定2～3μs后反馈输出数据，根据3.2.1所述的三种工作模式下的数据帧格式，推算出整个传输过程中的时序关系如图10所示。

图10 传输模式时序图

4 通信协议实际应用

采用本文介绍的通信协议设计，应用到国产绝对式光电编码器上，应用设备实物见图11，图11中设备由一台编码器和后续电子设备组成。

图11 应用设备实物图

按照上述三个工作模式的设计，进行仿真测试，读取编码器信息波形如图12，读取编码器内EEPROM波形如图13，写入编码器内EEPROM波形如图14。

图12 读取编码器信息波形

图13 读取编码器内EEPROM波形

图14 写入编码器内EEPROM波形

通过与国产编码器配合使用测试，证明用上述该通信协议，编码器与后续电子设备能完全实现前期设计的功能。即使是国家要求的三级/四级标准脉冲群干扰和静电干扰的环境，通过该协议进行通信，仍能保持数据通信的正确，并保证数据传输的稳定与可靠性。

5 结束语

本文设计的绝对式光电编码器通信协议，采用的异步传输模式，通讯速率默认为5 Mbit/s，传输速度较快；电气连接结构较简单，易于技术人员的操作和检查；通信模式的数据帧设计简单，数据格式内部设置丰富，可根据实际要求调整数据帧格式长度，适用于不同类型的编码器；另外，经过实际验证，证明了该通信协议传输的稳定性和可靠性。因此，本文设计的编码器通信协议可广泛应用于各类编码器，在工业化生产中发挥积极作用。

［1］彭雨.基于FPGA的绝对式光电编码器通信接口研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.

［2］苏海冰，刘恩海.单圈绝对式编码器的研制［J］.光学精密工程，2002（10）：74-78.

［3］田岳，和文国，李彦林，等.低成本的高分辨率磁编码器的研制［J］.传感器世界，1999（9）：7-11.

［4］姜义.光电编码器的原理与应用［J］.机床电器，2010（2）：25-28.

［5］谢希仁.计算机网络［M］.北京：电子工业出版社，2003.

A Communication Protocol Design of the Absolute Photoelectric Encoder

HE Ying-wu，MO Yuan-jin，WEI Feng
（GSK CNC Equipment Company Limited，Guangzhou510530，China）

Encoder is the important segment of the developing highly of the modernize industry equipment.A new communication protocol design of the absolute photoelectric encoder is proposed in this paper.The information transmission forms of the three basic working modes are introduced，the specific data forms of information are introduced too，then the timing requirement of the working modes are calculated，last，the prime design functions of the domestic encoder can be achieved completely by using the new communication protocol design.Information transferring quickly，structure of electrical connecting simply and working stability are the characteristics of the new communication protocol design which can be used in various encoders.

encoder;communication protocol;frame structure;timing requirement

TP212

A

1009－9492(2014)02－0046－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.014

何英武，男，1963年生，四川人，硕士，工程师。研究领域：数控系统以及数控机床相关设备。

(编辑：向 飞)

2013－08－31