CN107360195A - 一种工业以太网接口的编码器转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业以太网接口的编码器转换装置，至少包括FPGA模块、ARM模块、工业以太网物理层模块以及编码器接口模块；所述编码器接口模块至少包括TTL增量式编码器接口、正余弦增量式编码器接口、绝对式编码器接口，所述FPGA模块至少包括增量式TTL接口控制器、增量式正余弦接口控制器、绝对式编码器接口控制器；所述FPGA模块经所述编码器接口模块与编码器进行通讯，对编码器发出的串行数据进行解码，同时将编码器位置信息转换为工业以太网报文，发送给工业以太网物理层模块。本发明统一了多种编码器的输出接口，将串行数据输出、TTL输出、正余弦输出统一转换为工业以太网报文，支持多种工业以太网协议，能够满足不同运动控制场合下的使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种编码器网络化装置，具体说涉及一种工业以太网接口的编码器转换装置。
背景技术
目前全球正处于新技术、新产业革新的活跃时期，美国将工业以太网作为实现先进制造的重要载体，德国将工业4.0作为强化国家优势的战略选择。结合当前制造业大发展的具体情况，我国也相继提出了智能工厂、智能装备、先进制造和中国制造2025的核心思路，如何运用以物联网、先进制造为代表的新一代信息科技重构传统制造业，突破数字化设计、优化排程、多元异构数据、实时集成等关键技术，已经成为产业革新的核心要义。其中如何将通用传感设备接入工业以太网，使之成为工业物联网设备，是实现基于工互联网+、工业4.0智能制造的关键。
光电编码器是一种集光、机、电于一体的数字化位置检测装置，具有精度高、体积小、稳定性好等优点，广泛应用于数控机床、高精度伺服系统、机器人控制等领域，同时可以作为位置、角度传感器应用于制造业中。按照工作原理不同编码器可分为增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器旋转时会输出一组周期性电压信号，使用内部脉冲计数装置来确定其具体位置和运动方向，而绝对式编码器旋转一周的过程中，每一个机械角度与一个唯一的绝对数据编码相对应。一般增量式编码器有正余弦脉冲和TTL脉冲两种接口类型；而绝对式编码器都有自己的专用通信协议，如Heidenhain公司EnDat2.2协议，Danaher公司的BiSS协议，SICK|STEGMANN公司的
HIPERFACE协议等等。各厂家大多为其编码器接口协议设计了相应的接口芯片，用于将串行数据转换成并行数据，有利于控制器的读取操作，但是存在以下问题：
接口芯片兼容性差，只能对厂家自有的专用串行协议进行解码，无法兼容其他厂家型号编码器；
配套的解码芯片或板卡价格不菲，大约占编码器价格的四分之一，提高了产品成本。
要解决上述问题，必须将多种接口类型的编码器进行协议的统一，进而发挥工业以太网实时性高、延时低、高速大容量通信等优点，将通用的编码器接入工业以太网中，使普通的串行总线接口编码器变为工业以太网中设备，也即工业物联网设备。
发明内容
鉴于已有技术存在的不足，本发明的目的是要提供能够兼容多种接口类型、将普通编码器顺利接入工业以太网的转换装置。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种工业以太网接口的编码器转换装置，至少包括FPGA模块、ARM模块、工业以太网物理层模块以及编码器接口模块，其特征在于：
所述编码器接口模块至少包括TTL增量式编码器接口、正余弦增量式编码器接口、绝对式编码器接口，用以实现FPGA与编码器的通信连接，并根据相应的串行编码器协议，传输相应编码器的输出信号；
所述FPGA模块至少包括与所述TTL增量式编码器接口连接的增量式TTL接口控制器、与所述正余弦增量式编码器接口连接的增量式正余弦接口控制器、与所述绝对式编码器接口连接的绝对式编码器接口控制器；所述FPGA模块经所述编码器接口模块与编码器进行通讯，对编码器发出的串行数据进行解码，同时将编码器位置信息转换为工业以太网报文，发送给工业以太网物理层模块；
所述ARM电路模块至少包括FSMC总线控制器，可以通过FSMC总线与FPGA电路模块进行通讯，实现对FPGA模块的控制和寄存器读取；
所述工业以太网物理层模块，至少包括专用以太网物理收发器，用以实现FPGA模块与工业以太网的连接。
进一步的，所述FPGA模块还包括工业以太网MAC层模块，所述工业以太网MAC层模块至少包括报文接收模块、物理层芯片控制和访问模块、报文分析与处理模块、CPU数据接口模块和报文发送模块。
进一步的，所述TTL增量式编码器接口至少包括TTL差分驱动电路，将编码器输出的TTL标准信号差分转换为单端脉冲信号，与FPGA芯片进行数据通信。
进一步的，所述TTL增量式编码器接口通过FPGA的IO引脚与FPGA的增量式TTL接口控制器的TTL脉冲计数模块连接，所述TTL脉冲计数模块用于对输入到FPGA的脉冲进行计数。
进一步的，所述正余弦增量式编码器接口至少包括前置放大器、AD转换器，对编码器输出信号进行前置放大、模数转换处理，经过通用串行总线与FPGA芯片进行数据通信。
进一步的，所述正余弦增量式编码器接口与FPGA的增量式正余弦接口控制器连接，所述增量式正余弦接口控制器至少包括ADC控制器、正余弦细分模块，其中所述ADC控制器将采集到的正余弦编码器数据传输到正余弦细分模块，所述正余弦细分模块对从ADC控制器接收到的数据进行细分处理；
进一步的，所述正余弦细分模块对数据进行的细分处理主要包括：
查表，确定当前的采样值是处于正余弦周期的哪个位置；
求和，将编码器旋转的整圈数与未完成的圈数进行相加，得到最终的精确位置。
进一步的，所述绝对式编码器接口至少包括RS485串行协议转换芯片，将编码器传输的专用串行数据协议信号进行差分到单端的转换，与FPGA芯片进行半双工的数据通信。
进一步的，所述绝对式编码器接口与FPGA的绝对式编码器接口控制器连接，所述绝对式编码器接口控制器至少包含Endat接口模块、BISS接口模块、多摩川接口模块、SSI接口模块，其中，Endat接口模块用于读取Endat协议接口编码器的串行输出数据，BISS接口模块用于读取BISS协议接口编码器的串行输出数据，多摩川接口模块用于读取多摩川协议接口编码器的串行输出数据，SSI接口模块用于读取SSI协议接口编码器的串行输出数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明将多种接口类型的编码器进行协议统一，最大程度上利用工业以太网实时性高、延时低、高速大容量通信等优点，将通用的编码器接入工业以太网中，使普通的串行总线接口编码器集成到工业以太网中，并统一了多种编码器的输出接口，将串行数据输出、TTL输出、正余弦输出统一为工业以太网报文，使得编码器对于伺服模块化、统一化，满足不同用户的使用需求，尤其能够满足不同运动控制场合下对系统可靠性和实时性的较高要求，打造制造业的物联网。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明编码器转换装置结构图；
图2为本发明工业以太网MAC层原理结构图；
图3为本发明增量式TTL接口控制器示意图；
图4为本发明增量式正余弦接口控制器示意图；
图5为本发明绝对式编码器接口控制器示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明的技术方案：
如图1所示为一种工业以太网接口的编码器转换装置，至少包括FPGA模块、ARM模块、工业以太网物理层模块以及编码器接口模块，其中所述编码器接口模块至少包括TTL增量式编码器接口、正余弦增量式编码器接口、绝对式编码器接口，用以实现FPGA与编码器的通信连接，并根据相应的串行编码器协议，传输相应编码器的输出信号；所述FPGA模块至少包括与所述TTL增量式编码器接口连接的增量式TTL接口控制器、与所述正余弦增量式编码器接口连接的增量式正余弦接口控制器、与所述绝对式编码器接口连接的绝对式编码器接口控制器；所述FPGA模块经所述编码器接口模块与编码器进行通讯，对编码器发出的串行数据进行解码，同时将编码器位置信息转换为工业以太网报文，发送给工业以太网物理层模块；所述ARM电路模块至少包括FSMC总线控制器，可以通过FSMC总线与FPGA电路模块进行通讯，实现对FPGA模块的控制和寄存器读取；所述工业以太网物理层模块，至少包括专用以太网物理收发器，用以实现FPGA模块与工业以太网的连接。作为本发明较佳的实施方式，工业以太网物理层模块通过MII总线与FPGA相连，TTL编码器接口模块，正余弦编码器接口模块，绝对式编码器接口模块通过FPGA的IO引脚与FPGA相连。
本发明中FPGA芯片优选Altera公司的Max10 10M16SC芯片，ARM处理器优选ST公司的STM32F103芯片。ARM处理器是本装置的核心处理器。ARM处理器通过FSMC总线分别与增量式TTL接口控制器、增量式正余弦接口控制器、绝对式编码器接口控制器、以太网MAC控制器相连。STM32F103是意法半导体公司出品的32位ARM微控制器，属于全球领先的ARM Cortex-M微处理器，具有一流的外设，低功耗，高性能，高集成度的优点。本发明利用FPGA的可编程特性，在FPGA芯片中集成了增量式TTL接口控制器、增量式正余弦接口控制器、绝对式编码器接口控制器、以太网MAC层模块，形成一个集成度高的嵌入式系统。工业以太网物理层模块，由专用以太网物理收发器实现，也即PHY芯片。PHY芯片可以将工业以太网MAC层模块发送的并行数据，转化为串行数据流，同时按照工业以太网物理层的编码规则进行编码，再将数字信号变为模拟信号发送出去，接收数据的流程与之相反。以太网物理收发器实现优选TI公司的精确时间协议收发器DP83640。
进一步的，所述FPGA模块还集成有工业以太网MAC层模块，如图2所示，工业以太网MAC层模块各功能模块均在FPGA的功能范围内，即由五大主要模块构成的FPGA芯片将完成工业以太网MAC层的全部功能：报文接收模块、物理层芯片控制模块、MAC层控制模块、CPU数据接口模块和报文发送模块。
报文接收模块：工业以太网MAC层芯片与物理层芯片采用标准以太网MII接口进行数据传输。传输过程开始后，接收模块首先接收数据线上的半字节数据，然后将接收到的半字节数据拼装成单字节数据，并对接收的网络数据进行校验，最后校验无误的数据被存储到接收数据缓冲区。
物理层芯片控制模块，工业以太网MAC层通过两个信号线(MDC和MDIO)完成对以太网物理层芯片，也即PHY芯片的控制和寄存器的访问。MDC、MDIO由FPGA的IO引出，其中MDC数据管理时钟线，作为串行数据总线的基准时钟，MDIO为双向串行数据线，MAC层通过此信号线完成对PHY芯片的寄存器读写操作。
CPU数据接口模块：采用16位数据总线和8位地址总线的FSMC总线结构，改动能模块实现CPU与FPGA数据缓冲区之间的读写功能以及CPU对FPGA的控制操作。
报文发送模块：MAC层模块将报文帧以半字节为单位发送至物理层芯片。MAC层与物理层芯片间采用MII媒体独立接口。发送MII接口信号包括：发送数据总线TXD[3:0]，发送时钟TXD_CLK、发送使能信号TX_EN，以上信号分别通过FPGA IO与物理层芯片相连接。专用芯片与PHY芯片之间的发送过程同样是与发送时钟的上升沿同步，以数据总线上的半字节数据为单位将整个网络报文数据流发送至PHY芯片。MAC层芯片在数据流发送之前，首先将发送使能信号TX_EN置为高电平使其有效，PHY芯片检测到该信号的变化后，准备接受来自MAC层芯片的半字节数据。MAC层芯片的发送数据缓冲区采用类似接受数据缓冲区的乒乓RAM机制。该发送机制能有效提升数据转发速率，减小了节点内部硬件延迟。
MAC层控制模块：包括初始化阶段中，判断主机发送的初始化报文类型，完善问询报文与应答报文的各项信息(如本装置总数计数器，本装置MAC地址值信息等)。在周期实时通讯阶段，负责提取本装置应该相应的指令信息、添加本装置反馈信息至网络报文中等。
如图3所示，TTL增量式编码器接口至少包括TTL差分驱动电路，将编码器输出的TTL标准信号差分转换为单端脉冲信号，与FPGA芯片进行数据通信。所述TTL增量式编码器接口通过FPGA的IO引脚与FPGA的增量式TTL接口控制器的TTL脉冲计数模块连接，所述TTL脉冲计数模块用于对输入到FPGA的脉冲进行计数。TTL编码器接口模块包含差分转换芯片，优选采用TI公司的AM26LV32差分接收芯片。
如图4所示，所述正余弦增量式编码器接口至少包括前置放大器、AD转换器，对编码器输出信号进行前置放大、滤波、模数转换处理，经过通用串行总线与FPGA芯片进行数据通信。所述正余弦增量式编码器接口与FPGA的增量式正余弦接口控制器连接，所述增量式正余弦接口控制器至少包括ADC控制器、正余弦细分模块，其中所述ADC控制器将采集到的正余弦编码器数据传输到正余弦细分模块，所述正余弦细分模块对从ADC控制器接收到的数据进行细分处理，主要包括：查表，确定当前的采样值是处于正余弦周期的哪个位置；求和，将编码器旋转的整圈数与未完成的圈数进行相加，得到最终的精确位置。
作为本发明较佳的实施方案，正余弦编码器接口模块连接正余弦接口类的增量式编码器，将增量式编码器输出的差分信号进行前置放大和滤波，然后由ADC转换芯片进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号，通过串行总线与FPGA连接，进行后续的处理。正余弦编码器接口模块包括前置放大电路和ADC转换电路。本实施方式中前置放大电路属于差分放大电路，差分运放优选ADI公司的ADA4940芯片，ADC转换芯片优选ADI公司的AD4003芯片。
进一步的，所述绝对式编码器接口至少包括RS485串行协议转换芯片，将编码器传输的专用串行数据协议信号进行差分到单端的转换，与FPGA芯片进行半双工的数据通信。本实施方式的转换芯片优选TI公司的S65C1168双路差分驱动器。所述绝对式编码器接口与FPGA的绝对式编码器接口控制器连接，如图5所示，所述绝对式编码器接口控制器至少包含Endat接口模块、BISS接口模块、多摩川接口模块、SSI接口模块，其中，Endat接口模块用于读取Endat协议接口编码器的串行输出数据，BISS接口模块用于读取BISS协议接口编码器的串行输出数据，多摩川接口模块用于读取多摩川协议接口编码器的串行输出数据，SSI接口模块用于读取SSI协议接口编码器的串行输出数据。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种工业以太网接口的编码器转换装置，至少包括FPGA模块、ARM模块、工业以太网物理层模块以及编码器接口模块，其特征在于：
所述编码器接口模块至少包括TTL增量式编码器接口、正余弦增量式编码器接口、绝对式编码器接口，用以实现FPGA与编码器的通信连接，并根据相应的串行编码器协议，传输相应编码器的输出信号；
所述FPGA模块至少包括与所述TTL增量式编码器接口连接的增量式TTL接口控制器、与所述正余弦增量式编码器接口连接的增量式正余弦接口控制器、与所述绝对式编码器接口连接的绝对式编码器接口控制器；所述FPGA模块经所述编码器接口模块与编码器进行通讯，对编码器发出的串行数据进行解码，同时将编码器位置信息转换为工业以太网报文，发送给工业以太网物理层模块；
所述ARM电路模块至少包括FSMC总线控制器，可以通过FSMC总线与FPGA电路模块进行通讯，实现对FPGA模块的控制和寄存器读取；
所述工业以太网物理层模块，至少包括专用以太网物理收发器，用以实现FPGA模块与工业以太网的连接。
2.根据权利要求1所述的工业以太网接口的编码器转换装置，其特征在于所述FPGA模块还包括工业以太网MAC层模块，所述工业以太网MAC层模块至少包括报文接收模块、物理层芯片控制和访问模块、报文分析与处理模块、CPU数据接口模块和报文发送模块。
3.根据权利要求1所述的工业以太网接口的编码器转换装置，其特征在于所述TTL增量式编码器接口至少包括TTL差分驱动电路，将编码器输出的TTL标准信号差分转换为单端脉冲信号，与FPGA芯片进行数据通信。
4.根据权利要求3所述的工业以太网接口的编码器转换装置，其特征在于所述TTL增量式编码器接口通过FPGA的IO引脚与FPGA的增量式TTL接口控制器的TTL脉冲计数模块连接，所述TTL脉冲计数模块用于对输入到FPGA的脉冲进行计数。
5.根据权利要求1所述的工业以太网接口的编码器转换装置，其特征在于所述正余弦增量式编码器接口至少包括前置放大器、AD转换器，对编码器输出信号进行前置放大、模数转换处理，经过通用串行总线与FPGA芯片进行数据通信。
6.根据权利要求5所述的工业以太网接口的编码器转换装置，其特征在于所述正余弦增量式编码器接口与FPGA的增量式正余弦接口控制器连接，所述增量式正余弦接口控制器至少包括ADC控制器、正余弦细分模块，其中所述ADC控制器将采集到的正余弦编码器数据传输到正余弦细分模块，所述正余弦细分模块对从ADC控制器接收到的数据进行细分处理。
7.根据权利要求6所述的工业以太网接口的编码器转换装置，其特征在于所述正余弦细分模块对数据进行的细分处理主要包括：
查表，确定当前的采样值是处于正余弦周期的哪个位置；
求和，将编码器旋转的整圈数与未完成的圈数进行相加，得到最终的精确位置。
8.根据权利要求1所述的工业以太网接口的编码器转换装置，其特征在于所述绝对式编码器接口至少包括RS485串行协议转换芯片，将编码器传输的专用串行数据协议信号进行差分到单端的转换，与FPGA芯片进行半双工的数据通信。
9.根据权利要求8所述的工业以太网接口的编码器转换装置，其特征在于所述绝对式编码器接口与FPGA的绝对式编码器接口控制器连接，所述绝对式编码器接口控制器至少包含Endat接口模块、BISS接口模块、多摩川接口模块、SSI接口模块，其中，Endat接口模块用于读取Endat协议接口编码器的串行输出数据，BISS接口模块用于读取BISS协议接口编码器的串行输出数据，多摩川接口模块用于读取多摩川协议接口编码器的串行输出数据，SSI接口模块用于读取SSI协议接口编码器的串行输出数据。
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