CN203054557U

CN203054557U - 支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置

Info

Publication number: CN203054557U
Application number: CN2012207403796U
Authority: CN
Inventors: 廖文高
Original assignee: Guangzhou Numerical Control Equipment Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Numerical Control Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2022-12-28

Abstract

本实用新型公开了一种支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置，其特征在于包括用于读写位置传感器数据的CPU模块；用于自动识别位置传感器、提供数据与接口供CPU模块读写数据的含有多种通信协议模块的FPGA/CPLD模块；用于将TTL电平和差分信号相互转换，和与位置传感器通信的485芯片；以及用于与位置传感器连接的位置传感器接口；所述CPU模块、FPGA/CPLD模块、485芯片以及位置传感器接口依次连接。本实用新型解决了现有技术一种位置传感器接口只支持单一的一种通信协议的缺陷，为广大客户配套各种厂家的位置传感器及现场技术人员的现场调试及应用带来了极大的方便，具有很强的实用性。

Description

支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种接口系统，尤其是一种支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置，属于运动控制、伺服驱动及测量技术领域。

背景技术

传感器接口通信电路一般采用并行或串行通信电路，虽然并行通信速度快，但需要的通信线路要很多，特别是通信线路很长的时候更不适合采用并行通信。因此绝大部分传感器通信一般为串行通信电路，串行通信协议一般有IIC、1-wire、UART、RS232、RS485、BISS、SSI、EnDat总线协议，它们只需要一根或2根通信线路就可以完成通信，在长距离通信时一般它们都采用差分信号传输，这也只需要2根或4根通信线路。

以下为五种常用传感器通信协议

1、TAMAGAWA接口数据传输协议

多摩川位置编码器（以下所述的编码器等同于传感器）接口遵循的是一种半双工的数据传输协议，采用串行异步通信方式，通信波特率可达5Mbps，电路信号遵循RS-485（差分电路信号）标准，只需2根差分信号线及2根电源供电线即可实现高速通信。目前，多摩川已经推出最高达到36位的绝对式编码器，其中单回转20位，多回转16位。最大响应频率可以达到52MHZ。可以真正实现高速高精度实时控制，多摩川位置传感器接口电路如图1所示。

2、EnDat接口数据传输协议

EnDat数据接口是海德汉为位置传感器开发的一种数字式、全双工的数据传输接口，它不仅能为增量式或绝对式编码器传输位置数据，而且能够传输和存储编码器参数、OEM数据以报警和诊断信息。在西门子、海德汉等数控系统中带有标准的EnDat接口。EnDat数据协议包括EnDat2.2和EnDat2.1，EnDat2.2兼容EnDat2.的指令和时间序列，同时它具有更强的功能在传输位置信息的同时能够传输附加的信息和参数，它继承并扩展了EnDat2.1的指令功能，优化了传输时钟。

EnDat接口提供了传输位置值以及附加信息；编码器数据存储区域包括编码器制造商参数、OEM厂商参数、运行参数、运行状态；编码器重置功能；监控和诊断功能，报警信息。报警条件包括：光源失效、信号幅值不足、位置计算错误、运行电压太低或太高、电流消耗太大等；当编码器的一些极限值被接近或超过时提供警告信号。EnDat接口遵循的是一种全双工的数据传输协议，电路信号遵循RS-485（差分电路信号）标准，在后续电子设备的同步时钟激励下传输串行数据。EnDat接口电路如图2所示。

3、BISS接口数据传输协议

Biss协议是一种新型全数字化双向传感器接口。它定义了工业控制系统中一台主站和若干从站（传感器）之间的通讯。Biss是一种新的技术标准，可以在无需许可的情况下使用。由于其高性能，它成为数据接口和模拟正弦/余弦增量输出的标准组合的一个有效的替代方案。

BISS总共只需要6条线路（4条数据线，2条电源线），因此控制器不需要处理模拟信号的任何硬件（模拟信号电缆/驱动器内插电子电路），这样有助于降低系统成本，并且最多8个传感器可以与一个总线主站相连。对于多轴应用来说，连线和控制成本显著降低。

4、SSI接口数据传输协议

SSI接口即同步串行接口具有传输速度快、连线简单、抗干扰能力强等优点，因而在光电编码器得到了广泛的应用；SSI接口光电编码器采用主机读取方法，是以2对符合RS-422电平的信号线进行信号传输，1对数据（data）线，1对同步时钟（clock）线，SSI同步时钟频率决定数据传输速率，其范围较宽，为0.1-2MHz，可以根据传输距离远近选择相应的传输速率。

5、NIKON_A接口数据传输协议

NIKON_A接口是日本尼康传感器的位置传感器通信协议，采用RS485、NRZ半双工串行通信方式，通信波特率分别有2.5Mbps和4Mbps两种，可实现位置数据更新周期最短为21.3us，NIKON_A接口通信协议最大连接数高达8个尼康位置传感器。

在传统运动控制、伺服驱动及测量技术领域中，一种位置传感器接口只支持单一的一种通信协议，而并不能支持其他的传感器协议，以上五种接口也是如此，EnDat接口只能支持EnDat接口数据传输协议，Biss接口只能支持Biss接口数据传输协议，SSI接口只能支持SSI接口数据传输协议，TAMAGAWA接口只能支持TAMAGAWA接口数据传输协议，NIKON_A接口只能支持NIKON_A接口数据传输协议。在需要支持其他种通信协议时需要更改该接口装置的硬件及软件，增加了现场配套、装备及调试的周期，大大降低了其实用性及通用性。因此，研发一种支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置是很有必要的，具有智能识别传感器通信协议功能更是现场调试所需。

实用新型内容

本实用新型的目的，是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种将多种通信协议完美的兼容在一起，具有很强的实用性的支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置，其特征在于：包括

用于读写位置传感器数据的CPU模块；

用于自动识别位置传感器、提供数据与接口供CPU模块读写数据的含有多种通信协议模块的FPGA/CPLD模块；

用于将TTL电平和差分信号相互转换，和与与位置传感器通信的485芯片；

以及用于与位置传感器连接的位置传感器接口；

所述CPU模块、FPGA/CPLD模块、485芯片以及位置传感器接口依次连接。

作为一种优选方案，所述485芯片有两个。

作为一种优选方案，所述FPGA/CPLD模块的通信协议模块包括EnDat通信协议模块、BISS通信协议模块、SSI通信协议模块、TAMAGAWA通信协议模块以及NIKON_A通信协议模块。

作为一种优选方案，所述FPGA/CPLD模块还包括CPU模块接口控制单元、输入输出数据缓冲单元、自动识别位置传感器控制单元以及485控制逻辑单元；其中，

所述CPU模块接口控制单元，用于读取CPU模块写来的数据并将数据写入输入输出数据缓冲单元，以及提供输入输出数据缓冲单元的位置传感器数据给CPU模块读取；

所述输入输出数据缓冲单元，用于完成缓存CPU模块写入的数据和各种通信协议模块写入的数据，以及供CPU模块和各种通信协议模块读取数据；

所述自动识别位置传感器控制单元，用于完成自动发送命令、输出控制信号和接收位置传感器数据，根据发送的命令及控制信号和接收数据识别当前所接的位置传感器为支持哪种通信协议的位置传感器；

所述485控制逻辑单元，用于控制485芯片收发数据，使485芯片以差分信号通过位置传感器接口与位置传感器对接通信；

所述CPU模块接口控制单元与输入输出数据缓冲单元相连接，所述输入输出数据缓冲单元分别与EnDat通信协议模块、Biss通信协议模块、SSI通信协议模块、TAMAGAWA通信协议模块、NIKON_A通信协议模块以及自动识别位置传感器控制单元相连接，所述自动识别位置传感器控制单元分别与TAMAGAWA通信协议模块、EnDat通信协议模块、Biss通信协议模块、SSI通信协议模块、NIKON_A通信协议模块以及输入输出数据缓冲单元相连接，所述485控制逻辑单元分别与TAMAGAWA通信协议模块、EnDat通信协议模块、Biss通信协议模块、SSI通信协议模块、NIKON_A通信协议模块以及自动识别位置传感器控制单元相连接。

作为一种优选方案，所述CPU模块接口控制单元由数据总线、地址总线及读写控制总线组成。

作为一种优选方案，所述输入输出数据缓冲单元，由RAM存储器、数据总线、地址总线及读写控制总线组成。

作为一种优选方案，所述自动识别位置传感器控制单元由主控制单元、读写数据单元及控制信号单元组成

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型将目前市场上普遍使用的EnDat通信协议、Biss通信协议、SSI通信协议、TAMAGAWA通信协议和NIKON_A通信协议完美的兼容在一起，具有智能识别以上任意一种传感器的功能。

2、本实用新型解决了现有技术一种位置传感器接口只支持单一的一种通信协议的缺陷，为广大客户配套各种厂家的位置传感器及现场技术人员的现场调试及应用带来了极大的方便，具有很强的实用性。

附图说明

图1为现有技术RS-485接口的示意图；

图2为现有技术BISS、SSI、Endat接口电路示意图；

图3为本发明位置传感器控制装置的结构框图；

图4为本发明FPGA/CPLD模块的结构框图；

图5为本发明位置传感器控制装置的工作流程示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图3所示，本实施例的位置传感器接口伺服控制装置包括CPU模块1、FPGA/CPLD模块2、两个485芯片3以及位置传感器接口4，所述CPU模块1与FPGA/CPLD模块2相连接，FPGA/CPLD模块2分别与两个485芯片3连接，两个485芯片3通过位置传感器接口4与位置传感器相连接。

其中，CPU模块1用于读写FPGA里缓存的位置传感器数据，读到位置传感器数据后做具体的应用，如运动控制之类应用，通过数据总线、地址总线和读写控制总线访问FPGA/CPLD模块2；FPGA/CPLD模块2为核心技术，不仅可以自动识别多种位置传感器，而且还提供数据与接口供CPU模块1读写数据，还控制了485芯片3收发数据和输出时钟信号；485芯片3用于完成将TTL电平和差分信号相互转换；位置传感器接口4用于完成多种位置传感器信号的同一对接。

如图4所示，所述FPGA/CPLD模块2包括：

CPU模块接口控制单元，由数据总线、地址总线和读写控制总线组成，用于读取CPU模块1写来数据并将数据写入输入输出数据缓冲单元，以及读取输入输出数据缓冲单元的位置传感器数据提供CPU模块1读取，完成FPGA/CPLD模块内部数据与CPU模块1的交互；

输入输出数据缓冲单元，由RAM存储器、数据总线、地址总线和读写控制总线组成，用于完成缓存CPU模块1写入的数据和各种通信模块写入的数据，以及提供CPU模块1和通信模块读取数据；

自动识别位置传感器控制单元，由主控制单元、读写数据单元及控制信号单元组成，用于完成自动发送命令、输出控制信号和接收位置传感器数据，根据发送的命令及控制信号和接收数据识别当前所接的位置传感器支持哪种通信协议；

485控制逻辑单元模块，用于控制485芯片3收发数据，使485芯片3以差分信号通过位置传感器接口4与位置传感器对接通信；

所述CPU模块接口控制单元与输入输出数据缓冲单元相连接，所述输入输出数据缓冲单元分别与EnDat通信协议模块、Biss通信协议模块、SSI通信协议模块、TAMAGAWA通信协议模块、NIKON_A通信协议模块以及自动识别位置传感器控制单元相连接，所述自动识别位置传感器控制单元分别与EnDat通信协议模块、Biss通信协议模块、SSI通信协议模块、TAMAGAWA通信协议模块、NIKON_A通信协议模块以及输入输出数据缓冲单元相连接，所述485控制逻辑单元分别与EnDat通信协议模块、Biss通信协议模块、SSI通信协议模块、TAMAGAWA通信协议模块、NIKON_A通信协议模块以及自动识别位置传感器控制单元相连接。

如图5所示，本实施例的位置传感器伺服控制装置的工作过程如下：

1）对接口装置上电后，FPGA/CPLD模块2以及外围电路开始工作，FPGA/CPLD模块2上的加载软件并开始运行。

2）FPGA/CPLD模块2开始工作后，默认为EnDat通信协议并执行EnDat通信功能，输出时钟CLK和发送模式命令通过485芯片及双绞线给位置编码器；

3）FPGA/CPLD模块2的EnDat通信模块等待是否收到从位置编码器中传来的数据，若未收到数据，继续步骤（4），否则，检测从位置编码器中传来的数据类型，如果数据类型是属于EnDat通信协议的数据格式，则FPGA模块采用EnDat通信协议与位置编码器进行通信；如果数据类型不属于EnDat通信协议的数据格式，则继续步骤4）；

4）FPGA/CPLD模块2换用BISS通信协议并执行BISS通信功能，发送读取位置编码器类型的命令给位置编码器；

5）FPGA/CPLD模块2的BISS通信模块判断是否收到位置编码器中传来的数据，若未收到数据，继续步骤6），否则，检测从位置编码器中传来的数据类型，如果从位置编码器中传来的数据类型是BISS通信协议的位置编码器类型数据，则FPGA模块采用BISS通信协议与位置编码器进行通信；如果从位置编码器中传来的数据类型不是BISS通信协议的位置编码器类型数据，则继续步骤（6）；

6）FPGA/CPLD模块2换用SSI通信协议并执行SSI通信功能，将时钟CLK拉为低电平，并将485芯片3的DE置为低电平控制485芯片3处于接收数据状态；

7）FPGA/CPLD模块2将判断485芯片3数据输入引脚Data input是否为低电平，若为高电平，继续步骤（8），否则，判断类型总线的特征，如果判断类型总线的特征为符合支持SSI通信协议，则FPGA模块采用SSI通信协议与位置编码器进行通信，否则，继续步骤（8）；

8）FPGA/CPLD模块2将执行TAMAGAWA通信协议执行TAMAGAWA通信功能，此时FPGA/CPLD模块不输出时钟CLK，但将以TAMAGAWA通信协议发送读取位置值的通信命令给位置编码器；

9）检测FPGA/CPLD模块2中的TAMAGAWA通信模块是否收到的数据，如果收到数据是TAMAGAWA通信协议类型的位置编码器的读取位置值的命令字及位置值，则FPGA/CPLD模块2将采用TAMAGAWA通信协议进行通信；当未收到数据或收到的命令字及位置值不属于TAMAGAWA通信协议格式，继续步骤（10）；

10）FPGA/CPLD模块2将执行NIKON_A通信协议执行NIKON_A通信功能，此时FPGA/CPLD模块2不输出时钟CLK，但将以NIKON_A通信协议发送读取位置值的通信命令给位置编码器；

11）检测FPGA/CPLD模块2中的NIKON_A通信模块是否收到的数据，如果收到数据是NIKON_A通信协议类型的位置编码器的读取位置值的命令字及位置值，则FPGA/CPLD模块将采用NIKON_A通信协议进行通信，当未收到数据或收到的命令字及位置值不属于NIKON_A通信协议格式，则说明位置传感器接口没有接位置编码器或所接的位置编码器总线协议本接口装置未支持。

以上所述，仅为本实用新型优选的实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型所公开的范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置，其特征在于：包括用于读写位置传感器数据的CPU模块（1）；

用于自动识别位置传感器、提供数据与接口供CPU模块（1）读写数据的含有多种通信协议模块的FPGA/CPLD模块（2）；

用于将TTL电平和差分信号相互转换，和与位置传感器通信的485芯片（3）；

以及用于与位置传感器连接的位置传感器接口（4）；

所述CPU模块（1）、FPGA/CPLD模块（2）、485芯片（3）以及位置传感器接口（4）依次连接。

2.根据权利要求1所述的支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置，其特征在于：所述485芯片（3）有两个。

3.根据权利要求1或2所述的支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置，其特征在于：所述FPGA/CPLD模块（2）的通信协议模块包括EnDat通信协议模块、BISS通信协议模块、SSI通信协议模块、TAMAGAWA通信协议模块以及NIKON_A通信协议模块。

4.根据权利要求3所述的支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置，其特征在于：所述FPGA/CPLD模块（2）还包括CPU模块接口控制单元、输入输出数据缓冲单元、自动识别位置传感器控制单元以及485控制逻辑单元；其中，

所述CPU模块接口控制单元，用于读取CPU模块（1）写来的数据并将数据写入输入输出数据缓冲单元，以及提供输入输出数据缓冲单元的位置传感器数据给CPU模块（1）读取；

所述输入输出数据缓冲单元，用于完成缓存CPU模块（1）写入的数据和各种通信协议模块写入的数据，以及供CPU模块和各种通信协议模块读取数据；

所述485控制逻辑单元，用于控制485芯片（3）收发数据，使485芯片（3）以差分信号通过位置传感器接口（4）与位置传感器对接通信；

5.根据权利要求4所述的支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置，其特征在于：所述CPU模块接口控制单元由数据总线、地址总线及读写控制总线组成。

6.根据权利要求4所述的支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置，其特征在于：所述输入输出数据缓冲单元，由RAM存储器、数据总线、地址总线及读写控制总线组成。

7.根据权利要求4所述的支持多种传感器通信协议的位置传感器接口伺服控制装置，其特征在于：所述自动识别位置传感器控制单元由主控制单元、读写数据单元及控制信号单元组成。