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自動化不斷給現代化的世界帶來革命性的變化。其涵蓋的不只是工業自動化和工業 4.0，還包括商業和消費領域。這是廣泛存在的物聯網統治的天下，過去是將物理性任務自動化，而現在越來越多的是機電化的任務。 通俗來說，就是電機提供了一種控制物理世界的方式。然而，大多數電機都是比較基本的，這意味著它們通常不會提供任何位置反饋。尤其是用于簡單移動負載的低成本電機，更是如此。可能有人會感到驚訝，電機還能提供位置反饋？但事實確實如此，例如汽車座椅，它可以根據打開和啟動車輛所用的鑰匙自動調整其位置。 這些基本電機之所以能做到這些，是因為它們被賦予了必要的“智能”，這個智能的關鍵就是編碼器，通過編碼器就可以知道座椅的位置和如何進行調整。雖然有些電機包含了編碼器，但那些不包含編碼器的電機也可以使用外部編碼器，這些編碼器設計時一般安裝在電機軸的外部。可以在這些應用中使用的編碼器有多種類型，每種編碼器都有自己的運動檢測方式。這可能包括當物體從光源前經過時對光脈沖進行計數的光學編碼器，或當磁鐵穿過霍爾效應開關時對其產生的脈沖進行計數。 有些編碼器，如 CUI Devices 的 AMT 系列絕對編碼器，會兼具光學編碼器的高分辨率與磁性編碼器的穩健性。它們通過電容編碼來實現，電容編碼使用兩塊板：一個發射器和一個接收器，由連接在轉子上的第三塊板分開。當中心板旋轉時，它會干擾發射器和接收器之間電容傳導的信號。由于干擾不依賴于運動，所以即使在轉子板不動的情況下，也能檢測到它的絕對位置。 常見的應用要求編碼器檢測電機的速度，或者根據旋轉次數來解釋電機移動任何東西的位置。它可能還需要檢測行程方向。報告位置的方式也會有所不同。如上所述，絕對旋轉編碼器不依賴于知道先前的位置，因為它為轉子的每一個可量化的位置提供了一個唯一的值。這在需要知道電機上電斷電后位置的應用中很有用，例如當有人進入車輛時。 旋轉編碼器使用的協議 無論用什么方法來捕捉物理運動，都需要將信息傳遞給控制器。這是通過另一層編碼來實現的，它將原始脈沖轉化為傳輸協議。 物理連接影響著協議的選擇和工作方式。一般來說，協議要么是同步的，即使用時鐘信號，要么是異步的（沒有時鐘信號）。此外，物理連接可以是單端的，或者為了進一步提升穩健性，也可以采用差分方式。這種組合導致了四種可能的選擇，涵蓋這些選擇的最常用協議有：串行外設接口（或稱 SPI，單端、同步）、RS-485（亦稱 TIA/EIA-485，差分、異步）和同步串行接口（或稱 SSI，差分、同步）。 選擇協議有許多考慮因素。它們首先提供了一定程度的互操作性，但它們也提高了通信通道的穩健性，特別是在電噪聲大的應用中，如工業電機控制。但這確實提出了一個問題，即對于特定的應用，什么協議才是最好的。幸運的是，AMT 系列包括的型號提供了上述所有三種協議。因此，我們不妨仔細了解一下每一個協議，充分了解它們的相對屬性，以幫助我們進行選擇。 SPI 總線 作為一種同步總線，SPI 總線上有一個連接是專用時鐘信號 (SCLK)。因為為主設備和從設備提供了專用連接，所有該協議還支持全雙工操作。而且由于所有的數據交換都是由時鐘信號協調的，因此主、從設備無需先協商數據速率或消息長度等參數就可以進行通信。每個從設備都有一個片選引腳（圖 1），允許主設備控制其在任何既定時間與哪個設備通信。 例如，AMT22 系列帶有一個 SPI 編碼器，可配置為使用 2 MHz 工作時鐘信號。這意味著，當主設備提出請求時，編碼器可以在短短 1500 ns 內響應其當前位置。SPI 協議的布線配置也很簡單，每個器件上都有主出、從入 (MOSI) 和主入、從出 (MISO) 的專用連接。如圖 1 所示，每一個連接都是連在一起的，而主設備則有專門的連接用于各個片選引腳。 
圖 1：SPI 協議對時鐘和數據使用了公用連接，片選則采用專用連接（圖片來源：CUI Devices） 作為單端總線，如果使用高速時鐘，SPI 協議很適合在相對較短的距離上進行連接，約在 1 米以內。如果降低時鐘速度，這個距離可以延長，同時保持信號的完整性。這使得 SPI 協議具有極強的通用性，適用于多種應用。 RS-485 總線 如果應用的距離超過 1 米，或者環境中存在大量的電氣噪聲，差分總線可能是更好的選擇。這是因為差分信號本身就比單端信號更穩健。另一種可以提高穩健性的技術是消除對總線上清潔時鐘信號的需求。這時 RS-485 總線和相關協議就可以成為一個合適的選擇。 RS-485 接口使用雙絞線布線，由于它是差分的，所以需要在電纜兩端進行適當的端接。但由于它是異步的，總線上沒有專用的時鐘信號，所以只需要兩根導線（圖 2），就可以達到 10Mb/s 甚至更高的數據速率。作為總線，它支持多個連接，但每個連接都必須進行端接，并與電纜阻抗匹配。為了保持性能，每個設備應使用盡可能短的電纜長度連接到總線。 AMT21 系列采用 RS-485 總線/協議，只需要兩個雙絞線連接和兩個電源連接。由于是異步的，所有設備都需要注意協議的配置方式，默認情況下，AMT21 系列使用 8N1，即 8 個數據位，無奇偶校驗，1 個停止位。在這種配置中，6 個最重要的位被用作地址，這意味著一個連接最多可以支持 64 個可單獨尋址的設備。兩個最小有效位用于指令。當接到提供位置數據的指令時，AMT21 系列可以在 3 微秒內做出反應。另外還有復位編碼器和設置零位的指令。
圖 2：RS-485 協議在單根雙絞線上支持多個設備（圖片來源：CUI Devices） SSI 總線 在標準配置中，SSI 總線可以被看作是 RS-485 總線的擴展，沿著數據差分對增加了一個傳遞時鐘信號的差分對。這意味著標準 SSI 接口使用了兩個差分對，或四個連接，分別用于時鐘和數據。CUI Devices 在此設計上開發了一種變體，去掉了差分部分，但增加了一個片選引腳。這就將每個連接的引腳數從 4 個減少到 3 個，同時增加了專用片選的便利性（圖 3）。 該變體與支持片選的 SSI 控制器兼容，提供與 SPI 類似的性能水平。CUI Devices 的 AMT23 系列就采用了這種 SSI 變體技術，可按圖 3 所示進行配置。
圖 3：該 SSI 變體需要更少的電線，但支持片選（圖片來源：CUI Devices） 結語 自動化的使用只會越來越多。絕對編碼器旨在與電機配套使用，能夠在自動化應用中實現更好的控制。CUI Devices 開發出了電容編碼技術并將其用在其 AMT 系列中，能夠同時使用上述三種通信協議。由于每種協議都有自己的特點和優勢，在為應用選擇適合的最佳技術時，這給工程師提供了更大的設計自由度。 來源：Digi-Key 作者：Jason Kelly, Electromechanical Design Engineer, CUI Devices |
