自動化不斷給現(xiàn)代化的世界帶來革命性的變化。其涵蓋的不只是工業(yè)自動化和工業(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，過去是將物理性任務(wù)自動化，而現(xiàn)在越來越多的是機(jī)電化的任務(wù)。
通俗來說，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提供任何位置反饋。尤其是用于簡單移動負(fù)載的低成本電機(jī)，更是如此。可能有人會感到驚訝，電機(jī)還能提供位置反饋？但事實(shí)確實(shí)如此，例如汽車座椅，它可以根據(jù)打開和啟動車輛所用的鑰匙自動調(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”，這個智能的關(guān)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(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)計時一般安裝在電機(jī)軸的外部。可以在這些應(yīng)用中使用的編碼器有多種類型，每種編碼器都有自己的運(yùn)動檢測方式。這可能包括當(dāng)物體從光源前經(jīng)過時對光脈沖進(jìn)行計數(shù)的光學(xué)編碼器，或當(dāng)磁鐵穿過霍爾效應(yīng)開關(guān)時對其產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計數(shù)。
有些編碼器，如 CUI Devices 的 AMT 系列絕對編碼器，會兼具光學(xué)編碼器的高分辨率與磁性編碼器的穩(wěn)健性。它們通過電容編碼來實(shí)現(xiàn)，電容編碼使用兩塊板：一個發(fā)射器和一個接收器，由連接在轉(zhuǎn)子上的第三塊板分開。當(dāng)中心板旋轉(zhuǎn)時，它會干擾發(fā)射器和接收器之間電容傳導(dǎo)的信號。由于干擾不依賴于運(yùn)動，所以即使在轉(zhuǎn)子板不動的情況下，也能檢測到它的絕對位置。
常見的應(yīng)用要求編碼器檢測電機(jī)的速度，或者根據(jù)旋轉(zhuǎn)次數(shù)來解釋電機(jī)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(zhuǎn)編碼器不依賴于知道先前的位置，因?yàn)樗鼮檗D(zhuǎn)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(jī)上電斷電后位置的應(yīng)用中很有用，例如當(dāng)有人進(jìn)入車輛時。
旋轉(zhuǎn)編碼器使用的協(xié)議
無論用什么方法來捕捉物理運(yùn)動，都需要將信息傳遞給控制器。這是通過另一層編碼來實(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。一般來說，協(xié)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(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 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(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)提出了一個問題，即對于特定的應(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)了解一下每一個協(xié)議，充分了解它們的相對屬性，以幫助我們進(jìn)行選擇。
SPI 總線
作為一種同步總線，SPI 總線上有一個連接是專用時鐘信號 (SCLK)。因?yàn)闉橹髟O(shè)備和從設(shè)備提供了專用連接，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)交換都是由時鐘信號協(xié)調(diào)的，因此主、從設(shè)備無需先協(xié)商數(shù)據(jù)速率或消息長度等參數(shù)就可以進(jìn)行通信。每個從設(shè)備都有一個片選引腳（圖 1），允許主設(shè)備控制其在任何既定時間與哪個設(shè)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(dāng)主設(shè)備提出請求時，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(shè)備則有專門的連接用于各個片選引腳。
圖 1：SPI 協(xié)議對時鐘和數(shù)據(jù)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(xié)議很適合在相對較短的距離上進(jìn)行連接，約在 1 米以內(nèi)。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(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 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)椴罘中盘柋旧砭捅葐味诵盘柛€(wěn)健。另一種可以提高穩(wěn)健性的技術(shù)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(guān)協(xié)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(jìn)行適當(dāng)?shù)亩私印５捎谒钱惒降模偩€上沒有專用的時鐘信號，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，它支持多個連接，但每個連接都必須進(jìn)行端接，并與電纜阻抗匹配。為了保持性能，每個設(shè)備應(yīng)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(xié)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(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 個數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，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(dú)尋址的設(shè)備。兩個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，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設(shè)備（圖片來源：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)差分對增加了一個傳遞時鐘信號的差分對。這意味著標(biāo)準(zhǔn) SSI 接口使用了兩個差分對，或四個連接，分別用于時鐘和數(shù)據(jù)。CUI Devices 在此設(shè)計上開發(fā)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(shù)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(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（圖片來源：CUI Devices）。
結(jié)語
自動化的使用只會越來越多。絕對編碼器旨在與電機(jī)配套使用，能夠在自動化應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更好的控制。CUI Devices 開發(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，在為應(yīng)用選擇適合的最佳技術(shù)時，這給工程師提供了更大的設(shè)計自由度。
