CN213363816U - 一种多协议兼容的角度采集系统 - Google Patents

Abstract

一种多协议兼容的角度采集系统，包括RS485总线收发器模块、电源模块、RS232模块、FPGA主控模块、连接器Ⅰ和连接器Ⅱ，所述连接器Ⅰ与测角元件的输出接口相连，连接器Ⅱ与外部5V电源以及工控计算机串口相连；所述RS485总线收发器模块用于外部编码器接口和FPGA主控模块之间的电平转换；所述电源模块用于将外部5V电源转换成适用于各个芯片的电源；所述RS232模块用于RS232串口和FPGA主控模块之间的电平转换；所述FPGA主控模块负责配置RS485总线收发器模块的工作模式，进行测角元件通信协议的解析，并将解析的实时角度数据通过RS232串口发送给工控计算机。该系统可实时采集不同接口协议测角元件的角度信号，并将采集到的角度数据通过RS232串口传送至工控计算机。

Description

一种多协议兼容的角度采集系统

技术领域

本实用新型涉及一种多协议兼容的角度采集系统。

背景技术

光电编码器由于其在计量精度、传输距离和电磁干扰等方面的优势，使得它越来越多得被使用在机床、转台等数控系统中。针对这一发展趋势，国内外许多公司都开发了面向编码器的接口协议，包括SSI协议、BISS协议、EnDat协议等。BiSS通信协议由德国IC-HAUS公司开发，是一种全双工同步串行总线通信协议，专门为满足实时、双向、高速的传感器通信而设计，在硬件上兼容工业标准SSI（同步串行接口协议）总线协议。EnDat协议是由海德汉公司开发的双向数字接口，采用差分串行数据传输方式，只需要四条信号线，支持绝对式编码器和增量式编码器，既可传输编码器位置值，也能传输保存在编码器中的信息或保存新信息。这些通信协议通常针对绝对式编码器，而对于传统的增量式编码器以及圆光栅，大多数仍采用正交编码的脉冲信号。

目前，针对光电编码器/光栅的角度采集模块往往只能支持一种协议类型的信号，而无法兼容不同的测角元件类型，难以应对目前测角元件种类繁多的实际情况，无法满足用户的使用需求。

实用新型内容

本实用新型其目的就在于提供一种多协议兼容的角度采集系统，以解决上述背景技术中的问题，可实时采集不同接口协议测角元件的角度信号，包括SSI协议、BiSS协议、EnDat协议和正交编码协议，并将采集到的角度数据通过RS232串口传送至工控计算机。

为实现上述目的而采取的技术方案是，一种多协议兼容的角度采集系统，包括RS485总线收发器模块、电源模块、RS232模块、FPGA主控模块、连接器Ⅰ和连接器Ⅱ，所述连接器Ⅰ与测角元件的输出接口相连，连接器Ⅱ与外部5V电源以及工控计算机串口相连；所述RS485总线收发器模块用于外部编码器接口和FPGA主控模块之间的电平转换；所述电源模块用于将外部5V电源转换成适用于各个芯片的电源；所述RS232模块用于RS232串口和FPGA主控模块之间的电平转换；所述FPGA主控模块负责配置RS485总线收发器模块的工作模式，进行测角元件通信协议的解析，并将解析的实时角度数据通过RS232串口发送给工控计算机。

进一步，所述的电源模块包括有3片LM1117芯片，3片LM1117芯片分别对外部提供的5V电源进行二次变换产生3.3V、2.5V、1.2V电源。

进一步，所述的RS485总线收发器模块包括有3片MAX3485芯片，3片MAX3485芯片分别用于将SSI协议、BiSS协议、EnDat协议中的CLK+/CLK-信号和DAT+/DAT-信号以及正交编码协议中的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-信号，将3组差分信号转换成FPGA兼容的单端信号。

进一步，所述的RS232模块包括有1片MAX3221芯片，MAX3221芯片用于FPGA的LVCMOS信号与RS232串口信号之间的电平转换，实现外部通信功能。

进一步，所述的FPGA主控模块采用INTEL公司型号为EP3C10E144的FPGA来实现。

有益效果

与现有技术相比本实用新型具有以下优点。

1.该角度采集系统能够兼容多种测角元件的通信协议，包括SSI协议、BiSS协议、EnDat协议以及正交编码协议，无需更改硬件即可采集多种测角元件的角度数据；

2.该角度采集系统对外接口为RS232串口形式，使用简单、传输速度快，方便工业控制等领域使用；

3.该角度采集系统无需专门的计数芯片或解码芯片，仅通过一片FPGA主控芯片及其配套电路即可实现，结构简单，性价比高。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

图1为本实用新型的系统原理框图；

图2为本实用新型的各模块信号连接图；

图3为本实用新型的芯片布局示意图；

图4为本实用新型多协议兼容实现的示意图；

图5位本实用新型的FPGA主控模块角度采集逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细描述。

一种多协议兼容的角度采集系统，包括RS485总线收发器模块1、电源模块2、RS232模块3、FPGA主控模块4、连接器Ⅰ5和连接器Ⅱ6，如图1、2所示，所述连接器Ⅰ5与测角元件的输出接口相连，连接器Ⅱ6与外部5V电源以及工控计算机串口相连；所述RS485总线收发器模块1用于外部编码器接口和FPGA主控模块4之间的电平转换；所述电源模块2用于将外部5V电源转换成适用于各个芯片的电源；所述RS232模块3用于RS232串口和FPGA主控模块4之间的电平转换；所述FPGA主控模块4负责配置RS485总线收发器模块1的工作模式，进行测角元件通信协议的解析，并将解析的实时角度数据通过RS232串口发送给工控计算机。

所述的电源模块2包括有3片LM1117芯片，3片LM1117芯片分别对外部提供的5V电源进行二次变换产生3.3V、2.5V、1.2V电源。

所述的RS485总线收发器模块1包括有3片MAX3485芯片，3片MAX3485芯片分别用于将SSI协议、BiSS协议、EnDat协议中的CLK+/CLK-信号和DAT+/DAT-信号以及正交编码协议中的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-信号，将3组差分信号转换成FPGA兼容的单端信号。

所述的RS232模块3包括有1片MAX3221芯片，MAX3221芯片用于FPGA的LVCMOS信号与RS232串口信号之间的电平转换，实现外部通信功能。

所述的FPGA主控模块4采用INTEL公司型号为EP3C10E144的FPGA来实现。

本实用新型中，所述的连接器Ⅰ5布置在电路板的左侧区域，与测角元件的输出接口相连，所述的连接器Ⅱ6布置在电路板的右侧区域，与外部5V电源以及工控计算机串口相连。

所述的电源模块2布置在电路板的右侧下方区域，由三片LM1117芯片组成，对外部提供的5V电源进行二次变换，产生3.3V、2.5V、1.2V电源，分别给RS485总线收发器模块1、RS232串口模块3、FPGA主控模块4中的芯片供电。

所述的RS485总线收发器模块1布置在电路板的左侧区域，连接器Ⅰ5的右侧，由3片MAX3485芯片组成，分别对SSI协议、BiSS协议、EnDat协议中的CLK+/CLK-和DATA+/DATA-，以及正交编码信号中的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-共三组差分信号进行电平转换，转换成适于FPGA芯片处理的LVCMOS电平。

所述的RS232接口模块3布置在电路板的右侧区域，连接器Ⅱ6的左侧，由1片MAX3221芯片组成，将2路RS232信号转换为适于FPGA芯片处理的LVCOMS电平，实现测角模块的对外通信功能。

所述的FPGA主控模块4采用INTEL公司型号为EP3C10E144的FPGA来实现，负责配置3片MAX3485芯片的工作模式，进行测角元件通信协议的解析，从而得到实时角度数据，并将通过RS232串口发送给工控计算机。

本实用新型的多协议兼容实现，如图3所示，不同测角元件协议的实施方式如下：

当测角元件为SSI协议时，该协议包含CLK+/CLK-、DAT+/DAT-两组差分信号，其中CLK信号相对于测角元件端为输入，DAT信号相对于测角元件端为输出，此时，FPGA主控芯片通过AClkEn输出高电平配置MAX3485芯片1为输出状态，产生CLK信号，通过BDatEn输出低电平配置MAX3854芯片2为输入状态，接收DAT信号。

当测角元件为BiSS协议时，由于Biss协议硬件兼容SSI协议，因此，FPGA主控芯片的对MAX3485芯片1和MAX3485芯片2的配置方法与SSI协议相同。

当测角元件为EnDat协议时，该协议包含CLK+/CLK-、DAT+/DAT-两组差分信号，其中CLK信号相对于测角元件端为输入，DAT信号相对于测角元件端为输入输出，在通信过程中DAT信号首先用于FPGA主控芯片向编码器发送命令，然后用于FPGA主控芯片接收编码器发送的角度数据。此时，FPGA主控芯片通过AClkEn输出高电平配置MAX3485芯片1为输出状态，产生CLK信号，通过BDatEn先输出高电平，再输出低电平，配合CLK信号完成编码器的命令数据发送和角度数据接收。

当测角元件为正交编码信号时，该协议包含A+/A-、B+/B-、Z+/Z-三组差分信号，这三组信号相对于测角元件端都为输出。此时，FPGA主控芯片通过AClkEn、BDatEn、ZEn输出低电平，将三片MAX3485配置为输入状态，通过正交计数完成正交编码信号的角度采集。

本实用新型的FPGA主控模块角度采集如图4所示，角度采集过程包括以下步骤：

S0、FPGA系统初始化，加载FLASH中存储的程序，开始执行。

S1、读取测角元件的协议配置信息，并根据不同的协议配置情况，进入不同的角度采集程序分支；

S2、当测角元件为SSI/BiSS协议时，进入本分支，否则进入S3，角度采集流程为：配置MAX3485芯片，产生请求度输出的CLK时钟信号，同时采集测角元件输出的DAT信号，得到角度数据。

S3、当测角元件为EnDat协议时，进入本分支，否则进入S4，角度采集流程为：配置MAX3485芯片，产生发送命令的CLK时钟信号，并通过DAT信号发送角度采集命令；配置MAX3485芯片；产生采集角度的CLK时钟信号，同时采集测角元件输出的DAT信号，得到角度数据。

S4、当测角元件为正交编码协议时，角度采集流程为：配置MAX3485芯片，进入正交编码计数，所存本次的计数值得到角度数据，计数器清零。

S5、将角度数据进行保存，并通过RS232串口发送给工控计算机，重新返回步骤S0。

Claims (5)

1.一种多协议兼容的角度采集系统，包括RS485总线收发器模块（1）、电源模块（2）、RS232模块（3）、FPGA主控模块（4）、连接器Ⅰ（5）和连接器Ⅱ（6），其特征在于，所述连接器Ⅰ（5）与测角元件的输出接口相连，连接器Ⅱ（6）与外部5V电源以及工控计算机串口相连；所述RS485总线收发器模块（1）用于外部编码器接口和FPGA主控模块（4）之间的电平转换；所述电源模块（2）用于将外部5V电源转换成适用于各个芯片的电源；所述RS232模块（3）用于RS232串口和FPGA主控模块（4）之间的电平转换；所述FPGA主控模块（4）负责配置RS485总线收发器模块（1）的工作模式，进行测角元件通信协议的解析，并将解析的实时角度数据通过RS232串口发送给工控计算机。

2.根据权利要求1所述的一种多协议兼容的角度采集系统，其特征在于，所述的电源模块（2）包括有3片LM1117芯片，3片LM1117芯片分别对外部提供的5V电源进行二次变换产生3.3V、2.5V、1.2V电源。

3.根据权利要求1所述的一种多协议兼容的角度采集系统，其特征在于，所述的RS485总线收发器模块（1）包括有3片MAX3485芯片，3片MAX3485芯片分别用于将SSI协议、BiSS协议、EnDat协议中的CLK+/CLK-信号和DAT+/DAT-信号以及正交编码协议中的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-信号，将3组差分信号转换成FPGA兼容的单端信号。

4.根据权利要求1所述的一种多协议兼容的角度采集系统，其特征在于，所述的RS232模块（3）包括有1片MAX3221芯片，MAX3221芯片用于FPGA的LVCMOS信号与RS232串口信号之间的电平转换，实现外部通信功能。

5.根据权利要求1所述的一种多协议兼容的角度采集系统，其特征在于，所述的FPGA主控模块（4）采用INTEL公司型号为EP3C10E144的FPGA来实现。

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