王青，俞建定，袁飛，周彬彬
（寧波大學 信息科學與工程學院, 浙江 寧波 315211）
摘要：近年來，隨著科技和工業的快速發展，絕對值編碼器在其通信技術方面也在逐步地優化與完善，其中SSI協議的輸出方式在絕對值編碼器領域中應用比較廣泛。詳細闡述了SSI協議的通信方式，設計出硬件電路，并采用Verilog語言實現了SSI通信協議。通過測試實驗，證明了該應用系統抗干擾性強、性能可靠、通信速度快，具有潛在的市場價值。
關鍵詞：絕對值編碼器；SSI協議；Verilog
0引言
近年來，編碼器應用比較多，主要應用于工業控制系統，比如電機的轉速測量、機床位置的測量、起重機上升距離的測量等，同時編碼器在市場上的規模越來越大，工業的需要量也逐步增長。在未來的幾十年里，編碼器行業將會達到高速發展的階段，將會有更多的編碼器生產廠商參與這場革命的競爭。
編碼器是將數據轉換成信號形式的一種設備，這種信號可以用來通訊、傳輸和存儲［1］。編碼器的原理是把這些物理位移變換成熟知的電信號。按工作性質劃分，編碼器可以劃分成兩大類：增量型編碼器和絕對值編碼器［2］。增量型編碼器主要應用在那些精度要求不高的儀器上。而針對那些精度要求比較高的行業，一般都是重工業，比如設備制造業、電子工業等，通常會采用絕對值編碼器。因為絕對值編碼器具有啟動速度快、數字編碼、位置唯一等特點，所以它已經被廣泛地應用在各種工業系統中［3］。隨著儀器儀表越來越智能化，人們對編碼器提出功耗低、質量好、體積小的要求，希望在絕對值編碼器的領域中有更多類型的輸出方式，讓越來越多的裝置能夠實現自動化。
早期的絕對值編碼器的輸出大多采用并行輸出方式，然而隨著科技的進步，絕對值編碼器的輸出方式也越來越豐富，出現了比如RS485、PROFIBUSDP、CAN、DeviceNet 等現場總線輸出方式、模擬信號轉換輸出方式以及SSI協議同步串行輸出方式等［4］。這幾種輸出方式都有各自的優點和缺點。并行輸出適用于短距離傳輸，其價格比較低廉；現場總線型輸出一般適用于超大規模的工業領域中，但是價格比較昂貴；而模擬信號轉換輸出方式目前應用相對比較少。這幾種輸出方式比較而言，SSI 串行輸出方式的優點比較多，比如抗干擾能力強、接線少，因此市場上應用比較廣泛。
1工作原理描述
1.1增量型編碼器工作原理
增量型編碼器的工作原理是先將位移變成具有周期性的電信號，然后把這個信號轉換成計數脈沖，通過這樣的轉變，位移就可以通過脈沖輸出的多少來測量［5］。如圖1所示，當A相超前B相時，表示正轉，反之則反轉。增量型編碼器主要依靠計數來記憶其位置，但是在突然斷電時，如果編碼器稍微移動，那么再來電時，記憶的零點就會偏移，造成不精確和記憶損失。需要增加參考點，也就是Z相，用參考位置來處理這些問題。但是此類型編碼器每次操作都要先找參考點，抗干擾能力比較差，零點累計時也有誤差。如果選用絕對值編碼器這些問題都可以得到解決。
1.2絕對值編碼器工作原理
絕對值編碼器的碼盤上有很多道光通刻線，它們依次以2線、4線、8線、16線……這樣的方式進行排列［6］。這些刻線都有兩面，分別為陰面和陽面，通過讀取每道刻線的通、暗得到一組從20~2n-1的唯一的二進制編碼（格雷碼），這就是n位絕對值編碼器［7］。每一個位置對應一個具體的數字，這個數字是絕對唯一的，只與起始和終止有關，與中間任何過程都沒有關系。當遇到突然斷電，重新啟動時不用重新再找參考點和零點，也不用像增量型編碼器那樣重新記錄脈沖的數目。任何時候想要知道它的具體位置，都可以去讀取它。這種編碼器的數據可靠、不容易受外界影響。
1.3SSI協議介紹
絕對值編碼器主要是把需要測量的位置信息傳輸給主控制系統，然后通過主控制系統來發出控制信號［8］。以前的絕對值編碼器大多采用并行輸出，在位數不多的情況下可以適用，一旦位數越來越多，則并行輸出就不適用了，因為總是出現數據不準確、錯誤等。比如在傳輸過程中，只要有一根數據線出現問題，就會影響到最終傳輸的數據，從而影響到絕對值編碼器的正常工作。所以根據實際情況，SSI協議的輸出方式比較適合。它用串行輸出來替代并行輸出，通過采用差分的方式來提高數據在傳輸過程中的可靠性，抗干擾明顯增強，同時為了通信雙方能夠準確地發送和接收數據，故采用同一個波特率。
SSI協議的通信方式如圖2所示。其采用主動讀取和接收的方式，包括同步時鐘信號CLOCK、數據信號DATA，其中同步時鐘的頻率決定了數據在傳輸過程中的速率。在工業控制應用領域中，通過實際傳輸距離的遠近來選擇需要的頻率。在同步時鐘信號的控制下，從最高位(MSB)開始傳送［9］。當遇到時鐘信號的第一個下降沿時，在Tp這段時間內，把需要發送的數據進行保存，之后遇到時鐘信號的每一個上升沿時就開始發送數據，直到所有的數據發送完即結束。然后把數據輸出這一端拉至低電平，延長Tm時間之后再把數據輸出端拉至高電平，準備等待下一個時鐘信號的到來，繼續發送數據。在不發送數據時，時鐘信號和數據端都應該保持高電平。圖2SSI通信協議
其中需要發送數據的位數決定了發送同步時鐘的個數。圖2中參數定義如下: T為時鐘頻率, Tp為數據之間傳輸間隔，Tm為單穩觸發時間，n為傳輸位數，MSB為最高有效位，LSB為最低有效位。
2系統方案設計
主控制器可以選擇51單片機、RAM微處理器和CPLD邏輯器件。單片機結構簡單，價格便宜，但是運行速度很慢，處理速度有限，抗干擾能力也不是很強；RAM微處理器功能強大，但是開發周期長，價格昂貴。要想高速傳輸，采用CPLD設計比較靈活，其處理速度比較快，抗干擾能力也很強，并且設計時用到大量的時序和邏輯運算。
2.1硬件設計
SSI電路的輸入和輸出都采用差分方式，如圖3所示，有4根信號線: CLK+、CLK-、DATA+、DATA-，其中CLK+和CLK-為時鐘輸入端，DATA+和DATA-為數據輸出端。時鐘輸入端的接收采用光耦，數據端的輸出采用422輸出芯片。圖3SSI電路設計框圖
2.2軟件設計
對于軟件部分的設計，有兩種方法可以實現SSI協議，一種方法是用單片機模擬SSI通信，另外一種是用CPLD來實現SSI通信。用單片機模擬的關鍵技術主要包括兩個方面：同步時鐘信號的準確獲取和數據起始位的準確判斷［10］。很明顯，這需要輸入端口和輸出端口，另外還需要一個定時器來實現單穩態觸發器。在輸入端口捕獲時鐘的上升脈沖，遇到時鐘的第一個下降脈沖時定時器開始工作。數據傳輸結束時定時器需要復位重新開始計數。軟件流程圖如圖4所示。
用單片機來模擬SSI通信，結構比較簡單，但是通信速度會受到約束。所以要想實現高速通信必須采用CPLD。CPLD的軟件部分設計可以分為兩個部分，一部分是單穩態觸發器，在外加脈沖的作用下，可以從一個穩定狀態翻轉到一個暫穩態。它的輸入為同步時鐘上升沿，在一段時間內如果沒有遇到上升脈沖，則將輸出信號復位。另一部分是一個并入串出的移位寄存器，在單穩態觸發器圖4程序流程圖輸出復位信號后，將需要發送的數據存入寄存器，繼續等待下一個周期的移位時鐘。并串轉換的寄存器用Verilog語言描述如下：
Always@ (posedge clock or posedge load)
Begin
If(load==1.b1)
Out<=indata［24: 0］;
Else
Out［24: 0］<=Out{［23: 1］, 1.b0}
End
3結論
本文分別從硬件和軟件兩個方面進行研究和設計，實現了絕對值編碼器的SSI通信協議，設計出的SSI通信板，成功與西門子S7300系列PLC配置的SM338模塊進行通信，PLC能夠正確讀出碼值。根據市場分析，在工業控制領域中，具有SSI協議的絕對值編碼器實用性比較強，應用比較多，因此本文的研究具有潛在的市場價值。
參考文獻
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