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自動(dòng)化不斷給現(xiàn)代化的世界帶來(lái)革命性的變化。其涵蓋的不只是工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè) 4.0，還包括商業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域。這是廣泛存在的物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)治的天下，過(guò)去是將物理性任務(wù)自動(dòng)化，而現(xiàn)在越來(lái)越多的是機(jī)電化的任務(wù)。 通俗來(lái)說(shuō)，就是電機(jī)提供了一種控制物理世界的方式。然而，大多數(shù)電機(jī)都是比較基本的，這意味著它們通常不會(huì)提供任何位置反饋。尤其是用于簡(jiǎn)單移動(dòng)負(fù)載的低成本電機(jī)，更是如此。可能有人會(huì)感到驚訝，電機(jī)還能提供位置反饋？但事實(shí)確實(shí)如此，例如汽車(chē)座椅，它可以根據(jù)打開(kāi)和啟動(dòng)車(chē)輛所用的鑰匙自動(dòng)調(diào)整其位置。 這些基本電機(jī)之所以能做到這些，是因?yàn)樗鼈儽毁x予了必要的“智能”，這個(gè)智能的關(guān)鍵就是編碼器，通過(guò)編碼器就可以知道座椅的位置和如何進(jìn)行調(diào)整。雖然有些電機(jī)包含了編碼器，但那些不包含編碼器的電機(jī)也可以使用外部編碼器，這些編碼器設(shè)計(jì)時(shí)一般安裝在電機(jī)軸的外部。可以在這些應(yīng)用中使用的編碼器有多種類(lèi)型，每種編碼器都有自己的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方式。這可能包括當(dāng)物體從光源前經(jīng)過(guò)時(shí)對(duì)光脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的光學(xué)編碼器，或當(dāng)磁鐵穿過(guò)霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 有些編碼器，如 CUI Devices 的 AMT 系列絕對(duì)編碼器，會(huì)兼具光學(xué)編碼器的高分辨率與磁性編碼器的穩(wěn)健性。它們通過(guò)電容編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，電容編碼使用兩塊板：一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，由連接在轉(zhuǎn)子上的第三塊板分開(kāi)。當(dāng)中心板旋轉(zhuǎn)時(shí)，它會(huì)干擾發(fā)射器和接收器之間電容傳導(dǎo)的信號(hào)。由于干擾不依賴(lài)于運(yùn)動(dòng)，所以即使在轉(zhuǎn)子板不動(dòng)的情況下，也能檢測(cè)到它的絕對(duì)位置。 常見(jiàn)的應(yīng)用要求編碼器檢測(cè)電機(jī)的速度，或者根據(jù)旋轉(zhuǎn)次數(shù)來(lái)解釋電機(jī)移動(dòng)任何東西的位置。它可能還需要檢測(cè)行程方向。報(bào)告位置的方式也會(huì)有所不同。如上所述，絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器不依賴(lài)于知道先前的位置，因?yàn)樗鼮檗D(zhuǎn)子的每一個(gè)可量化的位置提供了一個(gè)唯一的值。這在需要知道電機(jī)上電斷電后位置的應(yīng)用中很有用，例如當(dāng)有人進(jìn)入車(chē)輛時(shí)。 旋轉(zhuǎn)編碼器使用的協(xié)議 無(wú)論用什么方法來(lái)捕捉物理運(yùn)動(dòng)，都需要將信息傳遞給控制器。這是通過(guò)另一層編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它將原始脈沖轉(zhuǎn)化為傳輸協(xié)議。 物理連接影響著協(xié)議的選擇和工作方式。一般來(lái)說(shuō)，協(xié)議要么是同步的，即使用時(shí)鐘信號(hào)，要么是異步的（沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)）。此外，物理連接可以是單端的，或者為了進(jìn)一步提升穩(wěn)健性，也可以采用差分方式。這種組合導(dǎo)致了四種可能的選擇，涵蓋這些選擇的最常用協(xié)議有：串行外設(shè)接口（或稱(chēng) SPI，單端、同步）、RS-485（亦稱(chēng) TIA/EIA-485，差分、異步）和同步串行接口（或稱(chēng) SSI，差分、同步）。 選擇協(xié)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(wěn)健性，特別是在電噪聲大的應(yīng)用中，如工業(yè)電機(jī)控制。但這確實(shí)提出了一個(gè)問(wèn)題，即對(duì)于特定的應(yīng)用，什么協(xié)議才是最好的。幸運(yùn)的是，AMT 系列包括的型號(hào)提供了上述所有三種協(xié)議。因此，我們不妨仔細(xì)了解一下每一個(gè)協(xié)議，充分了解它們的相對(duì)屬性，以幫助我們進(jìn)行選擇。 SPI 總線 作為一種同步總線，SPI 總線上有一個(gè)連接是專(zhuān)用時(shí)鐘信號(hào) (SCLK)。因?yàn)闉橹髟O(shè)備和從設(shè)備提供了專(zhuān)用連接，所有該協(xié)議還支持全雙工操作。而且由于所有的數(shù)據(jù)交換都是由時(shí)鐘信號(hào)協(xié)調(diào)的，因此主、從設(shè)備無(wú)需先協(xié)商數(shù)據(jù)速率或消息長(zhǎng)度等參數(shù)就可以進(jìn)行通信。每個(gè)從設(shè)備都有一個(gè)片選引腳（圖 1），允許主設(shè)備控制其在任何既定時(shí)間與哪個(gè)設(shè)備通信。 例如，AMT22 系列帶有一個(gè) SPI 編碼器，可配置為使用 2 MHz 工作時(shí)鐘信號(hào)。這意味著，當(dāng)主設(shè)備提出請(qǐng)求時(shí)，編碼器可以在短短 1500 ns 內(nèi)響應(yīng)其當(dāng)前位置。SPI 協(xié)議的布線配置也很簡(jiǎn)單，每個(gè)器件上都有主出、從入 (MOSI) 和主入、從出 (MISO) 的專(zhuān)用連接。如圖 1 所示，每一個(gè)連接都是連在一起的，而主設(shè)備則有專(zhuān)門(mén)的連接用于各個(gè)片選引腳。 
圖 1：SPI 協(xié)議對(duì)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)使用了公用連接，片選則采用專(zhuān)用連接（圖片來(lái)源：CUI Devices） 作為單端總線，如果使用高速時(shí)鐘，SPI 協(xié)議很適合在相對(duì)較短的距離上進(jìn)行連接，約在 1 米以?xún)?nèi)。如果降低時(shí)鐘速度，這個(gè)距離可以延長(zhǎng)，同時(shí)保持信號(hào)的完整性。這使得 SPI 協(xié)議具有極強(qiáng)的通用性，適用于多種應(yīng)用。 RS-485 總線 如果應(yīng)用的距離超過(guò) 1 米，或者環(huán)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?yàn)椴罘中盘?hào)本身就比單端信號(hào)更穩(wěn)健。另一種可以提高穩(wěn)健性的技術(shù)是消除對(duì)總線上清潔時(shí)鐘信號(hào)的需求。這時(shí) RS-485 總線和相關(guān)協(xié)議就可以成為一個(gè)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(jìn)行適當(dāng)?shù)亩私印５捎谒钱惒降模偩�上沒(méi)有專(zhuān)用的時(shí)鐘信號(hào)，所以只需要兩根導(dǎo)線（圖 2），就可以達(dá)到 10Mb/s 甚至更高的數(shù)據(jù)速率。作為總線，它支持多個(gè)連接，但每個(gè)連接都必須進(jìn)行端接，并與電纜阻抗匹配。為了保持性能，每個(gè)設(shè)備應(yīng)使用盡可能短的電纜長(zhǎng)度連接到總線。 AMT21 系列采用 RS-485 總線/協(xié)議，只需要兩個(gè)雙絞線連接和兩個(gè)電源連接。由于是異步的，所有設(shè)備都需要注意協(xié)議的配置方式，默認(rèn)情況下，AMT21 系列使用 8N1，即 8 個(gè)數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1 個(gè)停止位。在這種配置中，6 個(gè)最重要的位被用作地址，這意味著一個(gè)連接最多可以支持 64 個(gè)可單獨(dú)尋址的設(shè)備。兩個(gè)最小有效位用于指令。當(dāng)接到提供位置數(shù)據(jù)的指令時(shí)，AMT21 系列可以在 3 微秒內(nèi)做出反應(yīng)。另外還有復(fù)位編碼器和設(shè)置零位的指令。
圖 2：RS-485 協(xié)議在單根雙絞線上支持多個(gè)設(shè)備（圖片來(lái)源：CUI Devices） SSI 總線 在標(biāo)準(zhǔn)配置中，SSI 總線可以被看作是 RS-485 總線的擴(kuò)展，沿著數(shù)據(jù)差分對(duì)增加了一個(gè)傳遞時(shí)鐘信號(hào)的差分對(duì)。這意味著標(biāo)準(zhǔn) SSI 接口使用了兩個(gè)差分對(duì)，或四個(gè)連接，分別用于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。CUI Devices 在此設(shè)計(jì)上開(kāi)發(fā)了一種變體，去掉了差分部分，但增加了一個(gè)片選引腳。這就將每個(gè)連接的引腳數(shù)從 4 個(gè)減少到 3 個(gè)，同時(shí)增加了專(zhuān)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(lèi)似的性能水平。CUI Devices 的 AMT23 系列就采用了這種 SSI 變體技術(shù)，可按圖 3 所示進(jìn)行配置。
圖 3：該 SSI 變體需要更少的電線，但支持片選（圖片來(lái)源：CUI Devices） 結(jié)語(yǔ) 自動(dòng)化的使用只會(huì)越來(lái)越多。絕對(duì)編碼器旨在與電機(jī)配套使用，能夠在自動(dòng)化應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更好的控制。CUI Devices 開(kāi)發(fā)出了電容編碼技術(shù)并將其用在其 AMT 系列中，能夠同時(shí)使用上述三種通信協(xié)議。由于每種協(xié)議都有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在為應(yīng)用選擇適合的最佳技術(shù)時(shí)，這給工程師提供了更大的設(shè)計(jì)自由度。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Jason Kelly, Electromechanical Design Engineer, CUI Devices |
