一种多协议兼容的角度采集系统的制作方法

1.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：

2.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
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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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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。
6.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。
7.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
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信号和dat+/dat
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信号以及正交编码协议中的a+/a
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、b+/b
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、z+/z
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信号，将3组差分信号转换成fpga兼容的单端信号。
8.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。
9.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。
10.有益效果
11.与现有技术相比本实用新型具有以下优点。
12.1.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；
13.2.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；
14.3.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
15.下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
16.图1为本实用新型的系统原理框图；
17.图2为本实用新型的各模块信号连接图；
18.图3为本实用新型的芯片布局示意图；
19.图4为本实用新型多协议兼容实现的示意图；
20.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
21.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。
22.一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。
23.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。
24.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
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信号和dat+/dat
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信号以及正交编码协议中的a+/a
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、b+/b
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、z+/z
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信号，将3组差分信号转换成fpga兼容的单端信号。
25.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。
26.所述的fpga主控模块4采用intel公司型号为ep3c10e144的fpga来实现。
27.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。
28.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。
29.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
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和data+/data
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，以及正交编码信号中的a+/a
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、b+/b
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、z+/z
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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。
30.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。
31.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。
32.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：
33.当测角元件为ssi协议时，该协议包含clk+/clk
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、dat+/dat
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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。
34.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。
35.当测角元件为endat协议时，该协议包含clk+/clk
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、dat+/dat
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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。
36.当测角元件为正交编码信号时，该协议包含a+/a
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、b+/b
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、z+/z
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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。
37.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：
38.s0、fpga系统初始化，加载flash中存储的程序，开始执行。
39.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；
40.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。
41.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。
42.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。
43.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。