Hengstler常用编码器通信协议解析

Hengstler常用编码器通信协议解析

无论用于捕捉物理运动的方式如何，Hengstler技术人员要强调的一点：编码器获取的信息都必须发送给控制器，这是由将原始脉冲转换为传输协议的另一编码层实现的。

物理连接会影响协议的选择及其操作。通常，协议是同步的，即使用时钟信号或异步（不使用时钟信号）。此外，物理连接可以不对称，也可以差动以使其更坚固。这种组合有四种选择。含盖这些选项的最常用协议是串行外围接口（或SPI、单端、同步）、RS-485（TIA/EIA-485，也称为差动、异步）和同步。串行接口（或SSI、差动、同步）。

SSI通信协议

SSI通讯协议为缩写，其全称为同步串行接口( Synchronous Serial interface )。 SSI通讯的帧格式如图1所示，数据传输采用同步方式，在空闲阶段不发生数据传输的时候时钟和数据都保持高电位，在第一个脉冲的下降沿触发Hengstler编码器载入发送数据，然后每一个时钟脉冲的上升沿编码器送出数据，数据的高位在前，低位在后，当传送完所有的位数以后时钟回到高电平，数据也对应回到高电平。



图中有几个参数定义如下:

T为时钟的脉冲频率，介为数据传输间隔. Tm为单稳触发时间.N为为传输位数.传输的位数可以是任意的，但实际使用中单圈编码器采用13位，多圈采用25位.对于从方编码器而言是无法事先知道主方发送的时钟脉冲个数的，因而无法确定帧的起始位和停止位.解决问题的方法是采用高电位保持一段的时间内没有变化作为帧结束标志.Tm单稳时间就是指这个时间.在实际应用中可以采用一个单稳(软件或者硬件)，把时钟输人作为单稳的输入，通过单稳输出控制SSI的数据输出状态:单稳一旦置位，SSI的输出状态就要回到初始状态，准备开始下一个数据的循环过程。

BISS通信协议

BiSS通信协议是一种全双工同步串行总线通信协议，专门为满足实时、双向、高速的传感器通信而设计，在硬件上兼容工业标准SSI(同步串行接口协议)总线协议。其典型应用是在运动控制领域实现伺服驱动器与亨士乐编码器通信。BiSS由德国IC-HAUS公司开发，现已成为传感器通信协议的国际化标准。BiSS通信协议目前的版本是BISS-C。

关键技术特征：

1、二线串行同步数据总线，采用RS422接口，波特率达到10Mbit/s；采用LVDS接口， 波特率>10Mbit/s，这反映了BiSS有高的响应速度;

2、通信效率高，每10uS传输超过64个比特，有效负载率大于80%。这反映出BiSS能承载高分辨率编码器数据;

3、线时分复用，包括每个通信周期传输一帧的数据通信信道和传输一个帧位的寄存器通信信道。其中，寄存器通信和数据通信完全独立，互不干涉。对于不需要寄存器通信的应用场合，可以使用BiSS-C Unidirectional版本。这个版本的协议没有寄存器通信。这反映了采用BiSS的控制系统有更好的稳定性和便利性。

4、多种安全机制确保数据可靠，BiSS的延迟补偿技术能补偿传输线带来的信号延迟，采用两组CRC生成多项式分别对传感器数据与寄存器数据进行校验。BiSS协议帧还包括一位报警位和一位错误位，CRC生成多项式可自定义。这反映了BiSS传输可靠，采用BiSS的控制系统可靠。

5、数据同步，BiSS利用时钟信号同步传感器数据，传感器在第一个时钟脉冲到来时进行数 据更新，每一帧到达后续电子设备的数据其传输延迟都是相同的，方便后续电子设备进行时延补偿，特别适合电机控制等对时间位置关系要求苛刻的应用场合。这反映BiSS对于Hengstler编码器精度的影响很小，有助于提高控制系统的高速特性。

6、组网能力，通过BiSS可以构成单总线传感器环网，一个通信周期采集全部传感数据，并且信号采集是同步的。这反映BiSS的扩展性和前瞻性。

7、即插即用，BiSS支持从寄存器读出编码器参数，来配置数据通信。凡是支持BiSS标准EDS和Profile的编码器和控制系统都可以直接通信，无需修改任何程序。



图中是BiSS的基本组网方式，叫point-to-point方式。后续电子设备(图中为PLC)通过差分信号向传感器提供时钟，传感器同步地通过差分信号向后续电子设备发出传感数据。在BiSS协议中后续电子设备被称为Master，传感器被称为Slave。在point-to-point方式下，Master可以接收Slave的数据，同时与Slave进行双向数据通信。



描绘了point-to-point组网时的BiSS通信帧。MA由Master发出用于驱动通信，SL是Slave发出的数据信号。完成1个BiSS通信帧表示Master收到1帧数据。

EnDat协议

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，它不仅能为增量式和绝对式编码器传输位置值，同时也够传输或更新存储在编码器中的信息，或保存新的信息。由于使用了串行传输方式，所以只需四条信号线，在后续电了设备的时钟激励下，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。

特点：

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. EnDat2.2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14Bit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Hengstler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(3.6-14V)和传输速率(16M）。



EnDat接口编码器数据采集原理图



数据传输格式

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，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EnDat2.2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，可以被后续电了设备查询。

从最低位开始，绝对位置值被传输，数据的长度由使用的亨士乐编码器类型决定。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。

HIPERFACE协议

HIPERFACE是高性能接口（High Performance Interface）的缩写，是SICK-STEGMANN电机反馈系统的标准接口。该接口专为数字驱动控制而研发，为用户提供标准化的简化型机械和电气接口。

特点：

1、仅在速度控制器上配备一个电气接口，适用于所有应用。速度控制器和电机反馈系统间只需使用同一类型电缆进行连接。

仅通过一个电气接口即可实现低端及高端应用。

2、混合接口

模拟量过程数据通道上的混合接口:正弦信号和余弦信号通过该接口进行差分传输，且几乎没有延迟。

双向参数通道上的混合接口(与RS485规格一致):用于传输绝对位置信息和其他各种参数。

3、仅8条电线。

4、配备电子类型标签，用于识别电机反馈及存储电机反馈系统中的驱动相关信息。

5、宽温度范围，具有较强的耐冲击和抗振动性能，抗电磁干扰。具有紧凑的尺寸，可安装于伺服电机内部。

6、模拟量正弦/余弦信号可进行速度控制，低速应用时可提供较高分辨率，高速控制时可提供足够低的信号带宽。

7、电缆长度最大为100 m

8、在机械齿轮应用的位置控制方面，具有相同物理尺寸的电机反馈系统可作为绝对式多圈型编码器使用，绝对定位高达4096转。

HIPERFACE电机反馈系统同时使用了增量型编码器和绝对型编码器，兼具这两种编码器的优点。

首先，绝对位置值仅当设备通电并与控制器里的外部计数器通信时才产生，一一通过与RS485规格相符的基于总线的参数接口—增量计数器在这绝对位置值基础上，对模拟量正弦/余弦信号进行增量计数。使用高线性的正弦和余弦信号可获得速度控制所需的高分辨率(反正切在控制器中形成)。然而，此时传输的信号频率仍然相对较低。例如:每转512周期，即使是在12000 rpm转速时频率也仅为102.4kHz，这样即使是长距离也可轻松传输。



数据格式

异步接口的数据基本格式如下:

1个起始位

8个数据位(最低有效位在前)

1个停止位

可设置的奇偶性:奇，偶，无

可设置的波特率:600,  1200, 2400, 4800, 4800, 9600,  19200,  38400波特

参数通常预设为:

9600波特

奇偶性二1(如果数据位的总和为奇数)

多摩川协议

多摩川绝对式编码器能够实现单圈23bit多圈16bit总计39bit的高解析度。

数据通讯是基于485硬件接口标准NRZ协议，通讯波特率为2.5M的串行通讯。CRC循环循环冗余校验数据，避免数据出错导致异常的问题发生。通讯距离可达到20米。



Hengstler编码器具备状态自检功能，对于电池欠压、失效、编码器计数错误、过速度、码盘故障等可通过编码器状态位读取出来。

控制器或驱动器可通过单独的指令对单圈数据或多圈重置零位，可清除故障标志位。

内置768字节EEPROM，可擦写一万次以上，可用于存储电机相关信息，对于伺服驱动器对电机参数的自动识别提供了可行的途径。

多摩川串行绝对编码器通讯数据结构：

串行波特率：2.5M

起始位：1bit

停止位：1bit

数据位：8bit

读取编码器单圈、多圈、全部数据、及复位状态：

只需发送一个字节控制数据。



编码器应答数据：

包括接收到的控制字，及编码器状态字、编码器ID（能够识别编码器基本类型），及编码器数据。最后一个字节为对前面所有的数据进行CRC校验。



读取编码器内部EEPROM数据：

需发送三个字节数据，读取EEPROM数据控制字、EEPROM数据地址、CRC效验码。



编码器应答数据或写入数据：

结构包括EEPROM数据控制字、EEPROM数据地址、EEPROM数据、CRC效验码。



读取一次编码器全部数据需要60μS左右。为伺服电机提供高速度位置响应提供了可能。



版权声明：本文为CSDN博主「hudawang_li」的原创文章。
原文链接：https://blog.csdn.net/hudawang_li/article/details/79626611

协议的选择有很多考虑事项。它们最初提供了一定程度的互操作性，特别是在工业电机控制等电噪声较大的应用程序中，还提高了通信信道的健壮性。但是，这又产生了一个问题：哪个协议最适合特定的应用程序。

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