EnDat 2.2 接口設(shè)計(jì)成為符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的接口

Heidenhain 的 EnDat 2.2 接口是用于線性或旋轉(zhuǎn)位置反饋編碼器的純數(shù)字雙向串行接口標(biāo)準(zhǔn)。EnDat 2.2 主站通過模式命令將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型（如絕對(duì)位置、參數(shù)和診斷）發(fā)送到編碼器。EnDat 2.2 接口也適用于最高 SIL 3 的安全相關(guān)應(yīng)用。

在工業(yè)應(yīng)用中，位置反饋編碼器可能安裝在距離變頻器最遠(yuǎn) 100m 的地方。EnDat 2.2 時(shí)鐘頻率為 100kHz 至 16MHz，電纜長(zhǎng)度可達(dá) 20m，100m 時(shí)可達(dá) 8MHz。

如何為符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的變頻器設(shè)計(jì)符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的接口？

IEC618000-3 規(guī)定了可調(diào)速電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 EMC 要求，其中 EnDat 2.2 主接口模塊是一個(gè)子系統(tǒng)。由于編碼器電纜可長(zhǎng)達(dá) 100m，因此接口必須至少通過表 1 中列出的測(cè)試要求。

· (A) 模塊應(yīng)繼續(xù)按預(yù)期運(yùn)行。即使在測(cè)試期間也不會(huì)損失功能或性能。

· (B) 可以接受暫時(shí)的性能下降。測(cè)試后，模塊應(yīng)繼續(xù)按預(yù)期運(yùn)行，無(wú)需人工干預(yù)。

· (C) 測(cè)試過程中，接受功能喪失，但硬件或軟件不被破壞。測(cè)試后，手動(dòng)重啟、斷電或上電后，模塊應(yīng)自動(dòng)繼續(xù)按預(yù)期運(yùn)行。

表 1：IEC61800-3 EMC 要求摘錄

圖 1 是作為變頻器一部分的 EnDat 2.2 主接口模塊的相應(yīng)框圖。

EnDat 2.2 位置編碼器通過一根八線屏蔽電纜連接到 EnDat 2.2 主接口。兩根線用于編碼器電源，兩根線用于電池緩沖或并聯(lián)電源線?；赗S-485的串行通信只需要四根信號(hào)線：兩根用于半雙工模式下的雙向差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)DATA+和DATA-，另外兩根用于差分時(shí)鐘信號(hào)CLOCK+和CLOCK-。

圖1 ：EnDat 2.2 主接口模塊框圖

EnDat 2.2 主接口模塊的主要構(gòu)建塊是：

· EnDat 2.2 編碼器的受保護(hù)編碼器電源。

· RS-485 收發(fā)器，如SN65HVD78，用于 EnDat 2.2 時(shí)鐘和半雙工數(shù)據(jù)。

· 像 TI 的Sitara? AM437x 處理器這樣的主處理器，它實(shí)現(xiàn)了 EnDat 2.2 主控。

第一個(gè)構(gòu)建塊是受保護(hù)的編碼器電源，旨在滿足 Heidenhain 對(duì) EnDat 2.2 編碼器的規(guī)范，其電源范圍從 3.6V 擴(kuò)展到 14V。 

使用EnDat 2.2 位置編碼器接口的參考設(shè)計(jì)(TIDA-00172)，我們可以使用 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)編碼器電源，如表 2 所示。

表 2：編碼器電源通用規(guī)格

借助電子保險(xiǎn)絲 (eFuse)，該設(shè)計(jì)還符合 IEC 61010-1，其中次級(jí)電路必須供電（在本設(shè)計(jì)中為 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器），電流或功率限制由 IEC 61010-1 設(shè)置:2011-07，第 9.4 節(jié)。

eFuse 作為受保護(hù)編碼器電源的一部分，可在發(fā)生故障時(shí)以電子方式斷開編碼器的電源并發(fā)出故障標(biāo)志。故障條件是過壓、欠壓、過功率和過流。故障標(biāo)志允許主機(jī)控制器識(shí)別電纜短路等故障情況并采取相應(yīng)措施。表 3 指定了在 TIDA-00172 參考設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的附加保護(hù)功能。

表 3：編碼器電源保護(hù)規(guī)范

EnDat 2.2 主接口的第二個(gè)構(gòu)建塊是 RS-485 接口。RS-485 收發(fā)器的最小波特率應(yīng)至少為 32Mbps，以支持最大 16MHz EnDat 2.2 時(shí)鐘頻率。

圖 3 顯示了使用參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的 EMC 兼容接口。假設(shè)我們使用 Heidenhain 的屏蔽電纜連接 EnDat 2.2 編碼器。

圖2 ：EnDat 2.2 RS-485 差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的 EMC 兼容接口

RS-485 接口提供-7V 至+12V 的寬共模電壓范圍。為了提高對(duì)靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT) 和浪涌的抗擾度，該參考設(shè)計(jì)使用具有集成 ±12kV IEC ESD 保護(hù)功能的 SN65HVD78 RS-485 收發(fā)器。10Ω 防脈沖電阻器可限制鉗位電流，而 330pF 旁路電容器可衰減共模電壓瞬變。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱TIDA-00172 TI 設(shè)計(jì)文件夾。

第三個(gè)構(gòu)建塊實(shí)現(xiàn)了控制通信的 EnDat 2.2 主站。它生成時(shí)鐘信號(hào)，選擇數(shù)據(jù)方向，并與時(shí)鐘同步發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)既不發(fā)送也不接收數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘保持高電平。

圖 3 顯示了一個(gè)位置值數(shù)據(jù)包傳輸示例。在兩個(gè)時(shí)鐘脈沖之后，EnDat 2.2 主機(jī)發(fā)送模式命令（編碼器發(fā)送位置），從編碼器回復(fù)位置值、起始位和錯(cuò)誤位以及 5 位循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)。

盡管圖 3 沒有描述傳播延遲補(bǔ)償，但延遲補(bǔ)償是一項(xiàng)重要功能，因?yàn)橥ㄟ^典型編碼器電纜的延遲約為 5ns/m。在 10m 電纜長(zhǎng)度上，往返延遲為 100ns。對(duì)于 16MHz EnDat 2.2 時(shí)鐘，這等于 1.6 個(gè)時(shí)鐘周期的相移！因此，適當(dāng)?shù)难舆t補(bǔ)償是 EnDat 2.2 主站的主要功能。

過去，EnDat 2.2 主控器在 FPGA 和 ASIC 上實(shí)現(xiàn)，最近在 Sitara AM437x 處理器等創(chuàng)新處理器上實(shí)現(xiàn)。Sitara AM437x 處理器利用可編程實(shí)時(shí)單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS) 外設(shè)來實(shí)施 EnDat 2.2 主設(shè)備。EnDat 2.2 主固件可用于 Sitara AM437x 處理器，作為 Sitara 處理器的 SYS/BIOS 工業(yè)軟件開發(fā)套件 (SDK) 的一部分。

如果我們已準(zhǔn)備好開始設(shè)計(jì)，請(qǐng)查看使用 EnDat 2.2 的位置編碼器接口的參考設(shè)計(jì)，以獲得符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的接口，以及用于 Sitara AM437x 上 EnDat2.2 主設(shè)備的工業(yè)通信和電機(jī)控制的單芯片驅(qū)動(dòng)器.