絕對編碼器通訊協定指南

自動化持續革新現代世界。其超越工業自動化和工業 4.0，納入商業和消費型領域。更多的 IoT 已採行自動化，過往為實體形式，現在更多了許多機電形式。

簡單來說，電動馬達提供控制實體世界的方式。不過，大多數電動馬達相當基本，一般不會提供位置回饋。低成本的馬達尤其如此，僅用來移動負載。也許出乎意料之外，但這類馬達也用於相當精細的應用，例如基於啟動汽車的鑰匙而自動調整汽車座位的應用。

這些基本的馬達係透過編碼器，取得所需的「智慧」，判斷座椅位置並進行調整。有些馬達內建編碼器，未內建編碼器的馬達則採用外部編碼器，置放於馬達軸上。這些應用採用多種類型的編碼器，各以其方式偵測運動。這可能包含光學編碼器，在物體穿過光源前方時計算光脈衝數，或當磁鐵穿過時，計算由霍爾效應開關產生的脈衝數。

部分編碼器，如 Same Sky 的 AMT 系列絕對編碼器，結合光學編碼器的高解析度，以及磁性編碼器的耐用度。透過使用兩個盤面的電容式編碼：一個發射器和一個接收器，由轉子附加的第三個盤面分隔。中心盤面旋轉時，會干擾發射器和接收器之間以電容性傳輸的訊號。干擾並非依賴動作，因此轉子盤面即使沒有運動，也可偵測其絕對位置。

常見應用需編碼器基於轉動圈數，偵測馬達速度、辨識位置，或馬達任何運動。也可能需要偵測行進的方向。位置回報的方式也可能有異。如上所述，絕對旋轉編碼器不須知道先前位置，該元件為每一個轉子的可量化位置提供獨特的值。有些應用需要瞭解功率循環後的馬達位置 (例如有人進入車輛時)，這十分有用。

旋轉編碼器使用的協定

無論使用何種方式擷取實體運動，該資訊都需要傳送至控制器。這將透過另一個層次的編碼，將原始脈衝轉譯為協定，進行傳輸。

實體連結會影響協定的選擇及其運作方式。一般而言，協定分為同步 (使用時脈訊號) 或非同步 (無時脈訊號) 方式。此外，實體連接可能會是單端或差動，差動方式可提供更高耐用性。此組合產生四種可能的方式，最常見的協定為序列周邊介面 (SPI，單端、同步)；RS-485，也稱為 TIA/EIA-485 (差動、非同步)，以及同步序列介面 (SSI，差動、同步)。

協定的選擇基於許多原因。協定除了提供互通性層級，也可提升通訊通道的耐用性，特別是在有電氣雜訊的應用，如工業馬達控制。因此我們會問：特定應用最適合的協定為何？幸好，AMT 系列涵蓋的模組提供上述三種協定的型號。因此，若能詳細查看個別型號，完整瞭解其相關屬性，就能有助於進行選擇。

SPI 匯流排

SPI 匯流排是同步匯流排，其中一個連接為專用時脈訊號 (SCLK)。由於針對主機裝置和從屬裝置提供專用連接，因此，此協定也支援全雙工作業。所有的資料交換均由時脈訊號整合，主機和從屬無須先交涉屬性 (例如訊號傳輸率或訊息長度) 即可進行通訊。各個從屬具有晶片選擇引腳 (圖 1)，可讓主機控制在特定時間與何項裝置進行通訊。

以 AMT22 系列為例，其具備 SPI 編碼器，可經過配置，採用 2 MHz 時脈訊號進行操作。這表示當主機提出請求，編碼器可以回應其目前位置，僅需 1500 ns。SPI 協定的佈線配置也同樣簡易，針對各個裝置的主機輸出、從屬輸入 (MOSI) 和 主機輸入、從屬輸出 (MISO) 提供專屬連接。這些連接以線相連 (參見圖 1)，主機也針對獨立晶片選擇引腳有專屬連接。

圖 1：SPI 協定針對時脈和資料使用通用連接，並具有晶片選擇專屬連接 (圖片來源：Same Sky)

SPI 協定是單端匯流排，若使用高速時脈，非常適合連接相對較短的距離 (約為 1 m)。若時脈速度降低，則可以延伸距離，以保有訊號完整性。這能讓 SPI 協定達到多功能，並且適合多種應用。

RS-485 匯流排

若應用的範圍超過 1 m，或所處環境具有大量電氣雜訊，差動匯流排會是較好的選擇。這是由於差動訊號相較於單端訊號，本質上較穩健。另一種增加穩健性的技術為排除匯流排上對乾淨時脈訊號的需求。RS-485 匯流排和相關協定為合適的選擇。

RS-485 介面使用雙絞線纜線，其為差動，因此在纜線的兩端需合適端接。由於為非同步，匯流排上無專用時脈訊號，因此僅需兩條導線 (圖 2)，便可達到 10 Mbit/s 或更高的資料傳輸率。此匯流排支援多重連接，但必須對纜線端接並且匹配阻抗。為維持其效能，各裝置必須以儘可能最短的纜線連接至匯流排。

AMT21 系列使用 RS-485 匯流排／協定，只需兩個連接給雙絞線和另外兩個給電源。由於為非同步，所有的裝置需注意通訊的配置方式，在預設下，AMT21 系列使用 8N1，代表 8 資料位元、無奇偶，以及 1 個停止位元。在此配置中，六個最高有效位元用於定址，代表一個連接可以支援多達 64 個個別可定址裝置。兩個最低有效位元用於指令。在指示提供位置資料時，AMT21 系列可以在 3 ms 之內回應。也有重置編碼器和設定零位置的指令。

圖 2：CUI 的 RS-485 協定以雙絞線支援多種裝置 (圖片來源：Same Sky)

SSI 匯流排

SSI 匯流排的標準配置可以視為 RS-485 匯流排的擴充，在用於資料的差動對之外，添加搭載時脈訊號的差動對。這表示標準 SSI 介面使用兩個差動對，即四個連接，於時脈和訊號。Same Sky 針對此設計開發變體，添加晶片選擇引腳替代差動。這能將每連接引腳數由四個減少到三個，同時加入了專用晶片選擇的便利性 (圖 3)。 

此變體相容於 SSI 控制器，支援晶片選擇，並提供類似於 SPI 的效能。Same Sky 的 AMT23 系列 使用此 SSI 變體，並且可配置為圖 3 所示。

圖 3：此 SSI 變體需更少電線，但支援晶片選擇 (圖片來源：Same Sky)

結論

自動化的運用有增無減。絕對編碼器設計用於納入電動馬達中，能為自動化應用提供更佳控制。Same Sky 的 AMT 系列採用其電容式編碼技術，運用三種通訊協定，各有其優缺點。工程師可取得更多設計自由，同時針對其應用選擇最佳技術。