周楷濤，姜歌東,b，陶 濤,b，鄒 創(chuàng)

(西安交通大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049)

基于EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的多卡同步采集方法*

周楷濤a，姜歌東a,b，陶 濤a,b，鄒 創(chuàng)a

(西安交通大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049)

在基于內(nèi)置傳感器的數(shù)控機(jī)床性能測試中，以三通方式采集EnDat編碼器信號與其它類型編碼器信號時，存在同步不準(zhǔn)的問題，故提出了一種以EnDat信號采集卡為主卡，EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期分頻信號作為采樣時鐘的多卡同步采集方法。基于CPLD+MCU實現(xiàn)了EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的獲取及分頻電路的設(shè)計。通過在數(shù)控磨齒機(jī)上進(jìn)行EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期獲取實驗，驗證了EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期獲取方法及分頻電路設(shè)計的正確性，并在該數(shù)控磨齒機(jī)的傳動鏈測試實驗中驗證了基于EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的多卡同步采集方法的可行性。

EnDat編碼器信號；數(shù)據(jù)傳輸周期；分頻信號；同步采集

0 引言

EnDat接口是HEIDENHAIN公司推出的一種全雙工數(shù)字式的同步串行傳輸協(xié)議[1]，主要用于編碼器和光柵尺位置數(shù)據(jù)的傳輸[2,3]。由于其傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，連線方式簡單等特點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、高精度伺服系統(tǒng)的內(nèi)部通信。

國內(nèi)外一些公司和學(xué)者專門對此協(xié)議進(jìn)行了研究和應(yīng)用，HEIDENHAIN公司[4]、TI公司[5]、華中科技大學(xué)的huYongbing等[6]設(shè)計了針對EnDat2.2位置編碼器的通信接口設(shè)備。然而，這些設(shè)備與EnDat編碼器的通信都屬于主動通信。在基于內(nèi)置傳感器的數(shù)控機(jī)床性能測試中[7-9]，需要在機(jī)床正常工作、不改變數(shù)控系統(tǒng)通信狀態(tài)情況下，讀取編碼器、光柵尺等數(shù)控機(jī)床反饋元件的信號，我們稱這種方式為三通方式的信號采集[8-9]。EnDat接口在數(shù)控系統(tǒng)中采用了主動通信方式，在這種情況下，同樣采用主動通信方式工作的采集卡和接口設(shè)備無法實現(xiàn)三通方式的信號采集。為此，西安交通大學(xué)的陶濤、范勝乾等[10]提出并開發(fā)了一種基于三通方式的EnDat信號采集卡，但其還未提出解決EnDat采集卡與其他類型采集卡的同步采集問題的方法。多通道數(shù)據(jù)同步采集是多傳感器信息融合技術(shù)的關(guān)鍵[11]。數(shù)控機(jī)床各軸常見的位置反饋信號包括正余弦1Vpp、TTL和EnDat等多種形式，實現(xiàn)這些信號的同步采集，可以對機(jī)床的多軸聯(lián)動性能進(jìn)行分析。德國的ADDI-DATAGmbH公司[12]針對Endat接口，設(shè)計開發(fā)了APCI-8008等板卡，能夠?qū)崿F(xiàn)8個EnDat2.2編碼器信號的同步采集，但其只是對一種形式的信號進(jìn)行同步采集，且不能滿足三通方式的采集需求。

因此，研究和實現(xiàn)基于三通方式的EnDat信號采集卡與其他板卡的同步采集技術(shù)對實現(xiàn)基于內(nèi)置傳感器的數(shù)控機(jī)床多軸信息獲取和保證同步測試精度具有重要意義。

1 同步采集方案

1.1 EnDat接口簡介

EnDat傳輸協(xié)議如圖1所示，可帶或不帶附加信息。沒有數(shù)據(jù)傳輸時，時鐘信號線保持為高電平狀態(tài)，每個傳輸周期開始時，時鐘信號由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，?shù)據(jù)傳輸期間，時鐘信號高、低電平占空比為1:1。

一個傳輸周期結(jié)束時，時鐘信號有一段恢復(fù)時間tm，其范圍在10～30μs或1.25～3.75μs(fc≥1MHz)，當(dāng)時鐘信號的高電平持續(xù)時間超過tm時，時鐘信號的下降沿到來時刻標(biāo)志著下一個傳輸周期的開始。

圖1 EnDat傳輸協(xié)議

可以發(fā)現(xiàn)，后續(xù)電子設(shè)備與EnDat接口的編碼器通信時，后續(xù)電子設(shè)備采用了主動方式去獲取編碼器的數(shù)據(jù)，不斷地向編碼器發(fā)送同步時鐘信號，編碼器在每個傳輸周期同步時鐘信號的第一個下降沿到來時保存位置值，因此，其他采集卡也應(yīng)該在此時刻鎖存數(shù)據(jù)才能保證采集數(shù)據(jù)的同步性。

1.2 同步采集方案的確定

通過對EnDat接口同步時鐘信號進(jìn)行分析，可以利用CPLD設(shè)計電路生成EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期信號status_idle，該信號時序如圖2所示。

圖2 EnDat傳輸周期信號時序圖

數(shù)控系統(tǒng)位置反饋元件常見的接口形式有三類：正余弦1Vpp格式、TTL格式和EnDat格式。1Vpp信號由IK200計數(shù)卡采集；EnDat信號由基于三通方式的EnDat信號采集卡采集；TTL格式信號由PCI1784/CNT32等采集卡采集。以1Vpp和EnDat接口形式為例，要實現(xiàn)這兩種格式信號的同步采集，可以有以下兩種方案：

(1)IK220做主卡，向EnDat采集卡發(fā)送同步采樣時鐘。

(2)EnDat采集卡做主卡，向IK220發(fā)送同步采樣時鐘。

若采用IK200計數(shù)卡作為主卡向EnDat采集卡發(fā)送同步采樣時鐘，由于采樣時鐘可能出現(xiàn)在Status_idle一個周期的任意時刻，此時寄存器中鎖存的數(shù)據(jù)將是上一個傳輸周期同步時鐘第一個下降沿到達(dá)編碼器時編碼器保存的位置值，那么就有可能產(chǎn)生與通信周期同等量級的偽同步時間偏差，造成實際物理信號采集同步不準(zhǔn)的問題。因此，本文采用第二種方案，預(yù)以Status_idle作為同步采樣時鐘信號。

1.3 多卡同步采集

IK220使用手冊[4]中指出了其采集增量式編碼器信號的最高采樣頻率可達(dá)10kHz，陶濤、范勝乾等[10]在其專利中說明了基于三通方式的EnDat信號采集卡的最高采樣頻率可達(dá)5kHz，HEIDENHAIN的技術(shù)資料[2]中指出了EnDat數(shù)據(jù)接口的傳輸時間不超過50μs，即EnDat數(shù)據(jù)傳輸頻率至少為20kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了EnDat信號采集卡和IK220的最高采樣頻率，因此，不能直接將Status_idle信號作為同步采樣時鐘信號，需要先將Status_idle信號進(jìn)行分頻，以其分頻信號作為IK220或其他類型采集卡的同步采樣時鐘信號。EnDat傳輸周期信號的十六分頻信號Sample_Out如圖3所示。

圖3 EnDat傳輸周期信號的十六分頻

EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期的獲取方案如圖4所示。經(jīng)過EnDat采集卡的預(yù)處理電路將差分時鐘信號轉(zhuǎn)換成單端時鐘信號，并通過濾波電路提高了信號的質(zhì)量，利用CPLD設(shè)計EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期獲取電路，然后通過MCU將傳輸周期的采樣數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，進(jìn)行顯示并保存。

圖4 基于三通方式的EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期獲取方案

EnDat信號采集卡的系統(tǒng)時鐘為100MHz，綜合對數(shù)據(jù)傳輸周期計算精度和芯片資源兩方面考慮，最終選擇利用系統(tǒng)時鐘的八分頻信號clk_12M對傳輸周期信號Status_idle進(jìn)行計數(shù)，因此，獲取的數(shù)據(jù)傳輸周期分辨率為80ns。EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期計算模塊如圖5所示。

圖5 EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期計算模塊

利用EnDat采集卡的擴(kuò)展端口引腳向外輸出分頻信號，通過同步線輸送到其他采集卡的同步時鐘輸入引腳。EnDat信號采集卡與1Vpp信號采集卡和TTL信號采集卡同步采集時，連線方式如圖6所示。

圖6 多卡同步連線示意圖

2 實驗

圖7為國內(nèi)某機(jī)床廠數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)傳動鏈測試現(xiàn)場。其中機(jī)床C軸采用EnDat接口的圓光柵反饋位置信息，其余各軸采用正余弦1Vpp格式的編碼器或光柵尺反饋位置信息。

2.1 EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期獲取實驗

為驗證本文論述的EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期獲取方法的正確性，將測試系統(tǒng)切換為數(shù)據(jù)傳輸周期采集模式，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖7 數(shù)控磨齒機(jī)傳動鏈測試現(xiàn)場

圖8 某機(jī)床上EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期

由圖8可知，該機(jī)床C軸圓光柵EnDat接口傳輸周期信號波動平穩(wěn)，傳輸周期測試結(jié)果為50μs，分辨率為80ns，即傳輸頻率為20kHz，遠(yuǎn)高于EnDat采集卡和IK220的最高采樣頻率。因此，兩種類型的采集卡同步采集時，需要對Status_idle信號進(jìn)行分頻。

2.2 傳輸周期分頻信號驗證

為驗證該機(jī)床EnDat接口數(shù)據(jù)傳輸周期就是50μs，將status_idle的四分頻信號通過EnDat采集卡擴(kuò)展接口的引腳輸出，通過示波器觀察四分頻信號的波形和頻率。示波器顯示結(jié)果如圖9所示。

圖9 示波器顯示status_idle四分頻信號

由圖9可知，示波器顯示該機(jī)床C軸圓光柵EnDat接口傳輸周期四分頻信號頻率為5kHz，因此，Status_idle的頻率為20kHz，周期為50μs，與測試系統(tǒng)顯示結(jié)果相同，從而驗證了EnDat接口傳輸周期獲取方法的正確性以及分頻電路設(shè)計的正確性。

2.3 EnDat采集卡做主卡的同步采集技術(shù)實驗

數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)采用展成法原理對齒輪進(jìn)行磨削加工時，S、C、X、Y、Z五軸聯(lián)動，S軸為砂輪主軸，C軸為齒輪旋轉(zhuǎn)軸，X軸實現(xiàn)砂輪沿齒輪徑向進(jìn)給運(yùn)動，Y軸實現(xiàn)砂輪沿齒輪切向進(jìn)給運(yùn)動，Z軸實現(xiàn)砂輪沿齒輪軸向進(jìn)給運(yùn)動，其中，S、C、Y、Z四軸之間存在如式(1)關(guān)系：

(1)

式中，PC、PS、PY、PZ分別表示這四根軸的位置值；KSC、KYC、KZC分別是S、Y、Z三軸與C軸的位置關(guān)系比例系數(shù)；NS、Nd分別為砂輪頭數(shù)和齒輪齒數(shù)，Mr為齒輪法面模數(shù)，λ為砂輪導(dǎo)程角，β為齒輪螺旋角。

測試機(jī)床傳動鏈性能時，程序設(shè)定S軸轉(zhuǎn)速為1500rpm，磨削齒輪齒數(shù)為70，齒輪螺旋角為0，砂輪頭數(shù)為1，導(dǎo)程角為20′，通過計算可知C軸轉(zhuǎn)速為21.4286rpm。用EnDat信號采集卡采集C軸位置信號，IK220計數(shù)卡采集S、Y、Z三根軸位置信號，并通過EnDat采集卡給IK220發(fā)送同步采樣時鐘信號，采用Status_idle的16分頻信號作為同步采樣時鐘信號，IK220在此采樣時鐘信號的下降沿到來時鎖存計數(shù)值，保證了與EnDat接口的編碼器同步鎖存，采樣頻率通過計算可知為1250Hz。采集的位置信號經(jīng)過該采樣頻率的計算，得到C軸和S軸的速度如圖10所示。

圖10 EnDat采集卡與IK220同步采集結(jié)果

由圖10可知，C軸的轉(zhuǎn)速和S軸的轉(zhuǎn)速與機(jī)床程序設(shè)定值相同，波動平穩(wěn)，結(jié)果說明EnDat信號采集卡做主卡，傳輸周期信號的分頻時鐘作為同步采樣時鐘信號的可行性和正確性。

機(jī)床實際運(yùn)行過程中，由于傳動鏈誤差的存在，使得C軸與S、Y、Z三軸位置關(guān)系不可能完全相等，通過對這四根軸實際位置進(jìn)行同步采樣，根據(jù)C軸位置差來分析機(jī)床的傳動鏈性能。C軸的理論位置可通過式(2)計算得到，C軸位置差由式(3)計算得到。

(2)

(3)

C軸位置差測試分析結(jié)果如圖11所示，由此可知，該機(jī)床傳動鏈誤差量級大概在0.001°，若以IK220做主卡給Endat采集卡發(fā)送同步采樣時鐘信號，則采樣脈沖可能出現(xiàn)在status_idle信號一個周期的任意時刻，與status_idle信號下降沿最大可能相差一個傳輸周期的時間50μs，當(dāng)C軸轉(zhuǎn)速為21.4286rpm，50μs的時間C軸將轉(zhuǎn)動0.0064°，比傳動鏈誤差還大，測試數(shù)據(jù)將完全失真。因此，EnDat接口編碼器與正余弦格式等編碼器同步采集時，EnDat信號采集卡必須作為主卡。

圖11 傳動鏈誤差分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的多卡同步采集方法，并得出以下結(jié)論：①基于三通方式的EnDat信號采集卡與其他采集卡同步采集時，EnDat采集卡必須作為主卡，向其他類型的采集卡提供同步時鐘；②獲取了EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期，證明了EnDat主控設(shè)備與編碼器的通信頻率高于EnDat采集卡的最高采樣頻率；③采用EnDat傳輸周期分頻信號作為同步采樣時鐘，實現(xiàn)了多卡同步采集。最終，通過實驗驗證了此方案的正確性。其中，EnDat數(shù)據(jù)傳輸周期的獲取也為分頻時鐘倍率的選擇和數(shù)控機(jī)床傳動鏈性能后續(xù)分析提供了參數(shù)依據(jù)。

[1]HEIDENHAIN.EnDatInterfaceVERSION2.2BidirectionalSynchronousSerial-InterfaceforPositionEncoders[EB/OL].http://download.csdn.net/detail/sdhgood/4568886.

[2]HEIDENHAIN. 用于伺服驅(qū)動的編碼器[EB/OL].http://www.heidenhain.de/.

[3]HEIDENHAIN.EnDat2.2-BidirectionalInterfaceforPositionEncoders[EB/OL].http://www.heidenhain.de/fileadmin/pdb/media/img/383942-27_EnDat_2-2_en.pdf.

[4]HEIDENHAIN.User’sManualIK220PCCounterCardforHEIDENHAINencoders[EB/OL].http://www.heidenhain.de/.2006.

[5]TI.InterfacetoanEnDat2.2PositionEncoder[EB/OL].http://www.ti.com/lit/ug/tidu368/tidu368.pdf.2014.

[6]HuYongbing,ZhouYunfei.ImplementationoftheEnDat2.2InterfaceProtocolBasedonVerilogforPositionEncoderSystem[J].JournalofConvergenceInformationTechnology(JCIT), 2013,8(10): 317-324.

[7] 周玉清，梅雪松，姜歌東,等. 基于內(nèi)置傳感器的大型數(shù)控機(jī)床狀態(tài)檢測技術(shù)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2009, 45(4): 125-130.

[8] 趙飛，梅雪松，李光東,等. 數(shù)控成形磨齒機(jī)加工誤差在線監(jiān)測及補(bǔ)償[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2013, 49(1)： 171-177.

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[10] 陶濤，范勝乾. 一種基于三通方式的EnDat信號采集卡：中國，CN103324116A[P] ．2013-09-25.

[11]VladimirTerzija,MladenKezunovic.SynchronisedMeasurementTechnologyforAnalysisofTransmissionLinesFaults[C]. 2011IEEEInternationalConferenceonSystemSciences,Hawaii, 2011: 1530-1605.

[12]ADDI-DATAGmbH.http://addi-data.net/endat-2-2/.Web.

(編輯 李秀敏)

Synchronous Acquisition Method between DAQ Cards Based on EnDat Data Transmission Period

ZHOUKai-taoa,JIANGGe-donga,b,TAOTaoa,b,ZOUChuanga

(a.SchoolofMechanicalEngineering;b.StateKeyLaboratoryforManufacturingSystemsEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

IntheperformancetestofCNCmachinetoolbasedonbuilt-insensors,thereexistsaproblemthatsynchronizationisnotaccuratewhenEnDatencodersignalandtheotherencoderssignalareacquiredbyteeway.AmethodisproposedthatEnDatdataacquisitioncardservesasmaincard,andthefrequencydivisionsignalofEnDatdatatransmissionperiodisusedassampleclocktorealizesynchronousacquisitionbetweenmultipleDAQCards.TheacquisitionofEnDatdatatransmissionperiodandthedesignoffrequencydivisioncircuitwererealizedbasedonCPLD+MCU,whichhavebeenverifiedtobetruethroughanexperimentmadeonanumericalcontrolgeargrindingmachinetoacquireEnDatdatatransmissionperiod.Moreover,themethodfeasibilityofsynchronousacquisitionbetweenmultipleDAQCardsbasedonEnDatdatatransmissionperiodhasbeenprovedinthetestexperimentoftransmissionchainoftheCNCgeargrindingmachine.

EnDatencodersignal;datatransmissionperiod;frequencydivisionsignal;synchronousacquisition

1001-2265(2016)12-0009-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.003

2015-12-31;

2016-01-27

國家科技支撐計劃：陜西省數(shù)控一代機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用示范工程(2013BAF04B01)

周楷濤(1990—)，男，江西九江人，西安交通大學(xué)碩士研究生，研究方向為數(shù)控機(jī)床性能測試與分析，(E-mail)1184759264@qq.com。

TH166;TG

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