摘要：EnDat接口是HEIDENHAIN專為編碼器設計的數(shù)字式、全雙工同步串行的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，具有傳輸速度快、功能強大、連線簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點，是編碼器、光柵尺數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌凇１疚年U述了EnDat接口的特點、功能、時序和數(shù)據(jù)傳輸、OEM數(shù)據(jù)存儲，同時介紹了編碼器數(shù)據(jù)采集后續(xù)電路設計方案、基于FPGA模塊設計的原理和原則。

一 概述

絕對式編碼器利用自然二進制、循環(huán)二進制（格雷碼）或PRC碼對碼盤上的物理刻線進行光電轉換，將連接軸的轉動角度量轉換成相應的電脈沖序列并以數(shù)字量輸出。它具有體積小、精度高、接口數(shù)字化及絕對定位等優(yōu)點，被廣泛應用于雷達、轉臺、機器人、數(shù)控機床和高精度伺服系統(tǒng)等諸多領域。絕對式編碼器的數(shù)據(jù)輸出以同步串行輸出為主，EnDat接口是海德漢專為編碼器設計的數(shù)字式、全雙工同步串行接口。它不僅能為增量式和絕對式編碼器傳輸位置值，同時也夠傳輸或更新存儲在編碼器中的信息，或保存新的信息。由于使用了串行傳輸方式，所以只需四條信號線，在后續(xù)電子設備的時鐘激勵下，數(shù)據(jù)信息被同步傳輸。數(shù)據(jù)類型（位置值、參數(shù)、診斷信息等）由后續(xù)電子設備發(fā)送給編碼器的模式指令選擇決定。

二 EnDat接口介紹

1.EnDat接口的特點

高性能低成本：通用的接口適用于所有的增量和絕對式編碼器，更經濟的電能消耗，小的尺寸和緊湊的連接方式，快速系統(tǒng)配置，零點可根據(jù)偏置值浮動。

更好的信號質量：編碼器內部特別的優(yōu)化提高了系統(tǒng)精度，為數(shù)控系統(tǒng)提供更好的輪廓精度。

更好的實用性：自動系統(tǒng)配置功能；數(shù)字信號提高了系統(tǒng)的可靠性；監(jiān)控與診斷信息有利于系統(tǒng)的安全；冗余碼校驗有利于可靠的信號傳輸。

提高了系統(tǒng)的安全性：兩個獨立的位置信息及錯誤信息位，數(shù)據(jù)的校驗和及應答。

適用于先進的技術發(fā)展：（高的分辨率、短的控制周期，最快16M時鐘，安全設計理念）適用于直接驅動技術。

圖1 EnDat接口編碼器數(shù)據(jù)采集原理圖

2.EnDat2.2編碼器性能的提高

傳輸位置值與附加信息可同時傳輸：附加信息的類型可通過存儲地址選擇碼選擇。

編碼器數(shù)據(jù)存儲區(qū)域包括編碼器制造商參數(shù)、OEM廠商參數(shù)、運行參數(shù)、運行狀態(tài)，便于系統(tǒng)實現(xiàn)參數(shù)配置。

EnDat2.2編碼器實現(xiàn)了全數(shù)字傳輸，增量信號的處理在編碼器內部完成（內置14Bit細分），提高了信號傳輸?shù)馁|量和可靠性，可實現(xiàn)更高的分辨率。

監(jiān)控和診斷功能，報警條件包括：光源失效、信號幅值不足、位置計算錯誤、運行電壓太低或太高、電流消耗太大等；當編碼器的一些極限值被接近或超過時提供警告信號。

更寬的電壓范圍（3.6~14V）和傳輸速率（16M）。

3.時序和OEM數(shù)據(jù)存儲

在每一幀同步數(shù)據(jù)傳輸時一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送，傳輸循環(huán)從時鐘的第一個下降沿開始測量值被保存，計算位置值。在兩個時鐘脈沖（2T）后，后續(xù)電子設備發(fā)送模式指令“編碼器傳輸位置值”（帶或不帶附加信息）。

在計算出了絕對位置值后（tcal---見圖2 ），從起始位開始編碼器向后續(xù)電子設備傳輸數(shù)據(jù)，后續(xù)的錯誤位F1和F2（只存在于EnDat2.2指令中）是為所有的監(jiān)控功能和故障監(jiān)控服務的群組信號，他們的生成相互獨立，用來表示可能導致不正確位置信息的編碼器故障。導致故障的確切原因保存在“運行狀態(tài)”存儲區(qū)，可以被后續(xù)電子設備查詢。

從最低位開始，絕對位置值被傳輸，數(shù)據(jù)的長度由使用的編碼器類型決定。傳輸位置值所需的時鐘脈沖數(shù)保存在編碼器制造商的參數(shù)中。位置值數(shù)據(jù)的傳輸以循環(huán)冗余檢測碼結束。

圖2 無附加信息的位置值傳輸

位置值如果帶附加信息，緊接在位置值后的是附加信息1和2，他們也各以一個CRC結束。附加信息的內容由存儲區(qū)的選擇地址決定，然后在后面的采樣周期里被傳輸。在后續(xù)的傳輸中一直傳輸該信息，直到新的存儲區(qū)被選擇。在數(shù)據(jù)字的結尾，時鐘信號必須置高電平。10us到30us或1.25us到3.75us（EnDat2.2可編程的恢復時間tm）后，數(shù)據(jù)線回到低電平，然后，新的數(shù)據(jù)傳輸可在新的時鐘信號下開始。

圖3 帶附件信息的位置傳輸

同時，編碼器為參數(shù)提供了不同的存儲區(qū)，它們可以被后續(xù)電子設備讀取，這些區(qū)域可以被編碼器制造商、OEM廠商甚至最終用戶寫入。一些特定的區(qū)域是可以被寫保護的。不同系列的編碼器支持不同的OEM存儲區(qū)和不同的地址范圍。因此，每一個編碼器必須讀取OEM存儲區(qū)的分配信息。基于此原因，后續(xù)電子電路應基于相對地址編程，而不能使用絕對地址。

三 EnDat接口后續(xù)電子設備的電路設計方案

使用者可以根據(jù)EnDat接口協(xié)議和電路電氣特性自行設計接口電路進行數(shù)據(jù)采集與處理，同時海德漢也提供了特定的數(shù)據(jù)處理芯片供用戶選擇。如果用戶自行設計電路，需遵循EnDat接口的電氣特性，并需要掌握EnDat接口的協(xié)議，保證嚴格遵循協(xié)議的時序要求和數(shù)據(jù)幀格式。而如果采用海德漢提供的數(shù)據(jù)處理芯片，則可以簡化設計，用戶只需配置FPGA的寄存器，按照芯片可接受的指令格式發(fā)送指令，就可獲得需要的數(shù)據(jù)。

通過遵循RS 一485 （差分信號）標準的收發(fā)元件，在后續(xù)電子設備發(fā)出的同步時鐘激勵下，數(shù)據(jù)（位置值和參數(shù)）可以在編碼器和后續(xù)電子設備之間雙向傳輸。

四 FPGA+軟件宏

海德漢的合作伙伴MAZet公司針對Xilinx公司的Virtex和Spartan系列及Altera公司的Acex和Cyclone系列提供了EnDat協(xié)議的軟件宏，根據(jù)客戶需求，MAZet公司還可以提供定制軟核。該軟核實現(xiàn)了EnDat接口的所有功能，用戶可通過6位地址線和16位數(shù)據(jù)線與微控制器進行8位或16位的數(shù)據(jù)傳輸。下面是FPGA的模塊圖和電路設計。

圖4 FPGA模塊圖

圖5 編碼器和后續(xù)電路連接模塊圖

五 結束語

海德漢公司的EnDat接口在很多行業(yè)已得到廣泛的應用，現(xiàn)在它又被提升到嶄新高度。雙向EnDat 2.2接口的時鐘頻率現(xiàn)已提高到16 MHz，能滿足直接驅動這類高動態(tài)性能要求的應用，特別是電子工業(yè)的應用，時鐘頻率從8 MHz提高到16 MHz不僅將大大縮短讀取位置信息所需時間，還可以大幅縮短控制環(huán)的周期。同時簡單、經濟的系統(tǒng)設計為客戶提供了方便，強大的功能和通用性及具有前瞻的安全設計理念引導編碼控制技術不斷向前發(fā)展。