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交流伺服马达驱动器与旋转编码器.pdf

交流伺服马达驱动器与旋转编码器

信控科技
2012-01-13 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《交流伺服马达驱动器与旋转编码器pdf》,可适用于IT/计算机领域

南台科技大學電子工程研究所碩士學位論文交流伺服馬達驅動器與整合式旋轉編碼器之介面設計InterfaceDesignofACServoMotorDrivesandIntegratedRotaryEncoders研究生:陳秉瑜指導教授:王明賢中華民國九十三年七月六日wwwplcworldcn南台科技大學電子工程研究所碩士學位論文交流伺服馬達驅動器與整合式旋轉編碼器之介面設計InterfaceDesignofACServoMotorDrivesandIntegratedRotaryEncoders陳秉瑜指導教授:王明賢中華民國九十三年七月六日wwwplcworldcn博碩士論文授權書本授權書所授權之論文為本人在南台科技大學電子工程系(所)組學年度第學期取得碩士學位之論文。論文名稱:交流伺服馬達驅動器與整合式旋轉編碼器之介面設計本人具有著作財產權之論文全文資料(含紙本及電子檔)授予下列單位:同意立即公開同意一年後公開單位□þ本人畢業學校圖書館(上述若勾選一年後公開者請於繳交紙本論文給本校圖書館時特別聲明否則一律以立即公開處理)同意公開不同意公開單位□þ國家圖書館(若同意公開請於上傳登錄之後將所印出的授權書送交所屬系所統一寄給國圖紙本論文則一定要送交教務處註冊組彙轉國圖不論是否同意公開全文)□þ行政院國家科學委員會科學技術資料中心(授權國科會科學技術資料中心者請個別再寄論文一本至台北市()和平東路二段號室)。為學術研究之目的以各種方法重製得不限地域、時間與次數以微縮、光碟或其他各種數位化方式重製後散布發行或上載網站藉由網路傳輸提供讀者基於個人非營利性質之線上檢索、閱覽、下載或列印惟每人以一份為限。□上列論文為授權人向經濟部智慧財產局申請專利之附件或相關文件之一(專利申請案號:)請於年月日後再將上列論文公開或上載網路。(勾選此項者請於繳交紙本論文給本校圖書館時特別聲明否則一律以立即公開處理)上述授權內容均無須訂立讓與及授權契約書。依本授權之發行權為非專屬性發行權利。依本授權所為之收錄、重製、發行及學術研發利用均為無償。上述之欄位若未鉤選本人同意視同授權。指導教授姓名:王明賢研究生簽名:(親筆正楷)學號:M(務必填寫)電話:Email:chenpinyuhotmailcom地址:台南市小東路巷號日期:中華民國年月日圖書館授權書版本:wwwplcworldcn南台科技大學碩士論文交流伺服馬達驅動器與整合式旋轉編碼器之介面設計研究生:陳秉瑜本論文業經審查及口試合格特此證明論文考試委員指導教授所長中華民國九十三年七月六日wwwplcworldcn摘要在現今搭配馬達的編碼器若是絕對式(Multiturnabsoluteencoder,MAE)與整合式(Integratedrotaryencoder,IRE)編碼器的常需搭配系統廠商的驅動器來配合使用往往提高了其使用上的限制及價格。為了克服整合式旋轉編碼器與交流伺服馬達驅動器間之系統封閉性藉以達到整個伺服控制系統之完全系統化設計而降低成本使產品具有競爭力本論文提出交流伺服馬達驅動器與整合式旋轉編碼器之介面設計藉以達到整個伺服系統之完全系統化設計而降低成本使產品具有競爭力。此介面由一CPLD(complexprogrammablelogicdevice)來實現其內部包括曼徹斯特編碼及循環重複檢查兩方面之通訊協定。利用CPLD的可程式規劃邏輯把整合型編碼器的解碼電路設計出來解決其單一廠商的限制性。最後透過數位示波器來驗証原驅動器與CPLD所接收之數據之一致性。在應用方面透過IRE的原理將絕對式編碼器需多組傳輸線的缺點簡化輸出線路使輸出線只需一條串列信號輸出即可減少線路複雜性與斷線的可能。此點在系統整合與維修上都有極大的優勢。且IRE技術已和串列式高解析度編碼器之設計與製作結合提高其附屬價值。最後增加了學術上的研究完整性讓國內有心朝這方面發展的廠商有自行設計能量而不再依靠國外進口。vwwwplcworldcnInterfaceDesignofACServoMotorDrivesandIntegratedRotaryEncodersAbstractAservomotorcoupledwithamultiturnabsoluteencoder(MAE)oranintegratedrotaryencoder(IRE)anditsdrivearegenerallysoldtogetherThesaleraisestheproductpriceandformstheclosenessoftheservocontrolsystemsSinetheinterfacebetweentheencoderandthedriveisnotopenedThethesispresentsaninterfacedesignbetweenanACservomotordriveandanIREtocompletelyintegratethewholeservocontrolsystemandreducecostAcomplexprogrammablelogicdevice(CPLD)isemployedtoreducethecomplexityofthecorrespondinginterfacewherethecommunicationprotocolsthatincludeManchestercodingandthecyclicredundancycheck(CRC)areanalyzed,andremovestherestrictionofclosenessTheexperimentalresultswhicharemeasuredbyadigitalscopearegiventoshowtheconsistencybetweenoutputsfromCPLDandthosefromthecommercialproductInapplicationusingtheoriginofIREsimplifiesthedisadvantageofMAEwhichneedsmultipledatabustojustoneserialsignaloutputandthenreducestheelectricalcomplexityandthepossibilityofdisconnectionThispointhasanimportantadvantageinsystemcombinationandmaintenanceIREhascombinedserialhighresolutionencoderstothedesignandimplementationtoincreaseitsadditionalvaluesFinallytheIREincreasestheacademicresearchforcompanieswhichwanttoadvanceinthisdirectiontohavedesignenergybythemselvessothattheydon’tneedtodependonforeigncountriesviwwwplcworldcn致謝在研究所求學的三年過程中首先感謝恩師王明賢教授除了傾囊相授專業學門知識和獨立研究的態度、精神和方法以外並適時指導生命真諦均給予我觀念及方向的釐清有著非常大的助益在此特別感謝王明賢老師孜孜不倦的教誨使得研究工作能順利進行致使本論文得以順利完成。論文口試時承蒙孫育義老師、及陳遵立老師耐心審閱拙文匡正疏漏予以細心指點及寶貴之意見使本論文能更臻完備並在觀念釐清上收穫良多在此由衷感謝。本人就讀研究所期間日久公司提供很多的協助不論是技術交流或是硬體設備上對於本研究有相當的助益尤其是該公司的許富順經理和廖鴻文工程師及實驗室成員在論文研究的討論上給予諸多的幫助和指正。本人在此表達感謝之意。另外感謝大阪產業大學平山教授為我實習一事進行聯繫最後得以順利進入日本三菱電機實習以及早川副所長、魚谷部長及大場課長…等多位幫助使得本人在日本實習一年期間能順利進行。在日本期間特別感謝張燕慧小姐、仲森先生及曾曉君小姐一家人對我的關懷。豐富了我在日本的生活。最後感謝多年來不斷給予我支持與關懷的家人我的母親陳麗卿女士養育栽培之恩在我遭遇挫折時給我加油打氣皆是支持我不斷向上的原動力。最後再次感謝所有幫助過我的師長及親朋好友大家三年來不斷的關懷鼓勵與支持包容使我能夠全心投入求學和研究中希望您們能與我共同分享這份喜悅與榮耀。viiwwwplcworldcn目次摘要v英文摘要vi致謝vii目次viii表目錄x圖目錄xi第一章緒論研究動機與目的本文架構第二章編碼器編碼器旋轉編碼器的性能增量式編碼器(IncrementalEncoder,IE)絕對式編碼器(AbsoluteEncoder,ABS)整合式編碼器(IntegratedRotaryEncoder,IRE)第三章編碼理論介紹曼徹斯特碼(ManchesterCode)循環冗碼查核(CyclicRedundancyCheck,CRC)模運算(ModuloArithmetic)多項式(Polynomials)第四章解、編碼器設計流程IRE解碼電路設計同步電路設計IRE編碼電路設計編碼電路設計viiiwwwplcworldcn第五章系統架構與實驗結果系統架構實驗結果系統應用系統架構結論及未來展望參考文獻附錄一產品目錄附錄二編碼器規格書ixwwwplcworldcn表目錄表十進位、二進位、格雷碼之比較表在CCW下IRE低位元組串列輸出資料表在CCW下IRE高位元組串列輸出資料圖目錄圖控制系統架構圖增編碼器的動作原理圖增量式編碼器的輸出波形圖利用倍頻技術圖絕對型編碼器(a)二進位碼編碼(b)格雷碼編碼圖(a)二進位碼編碼輸出波形(b)格雷碼編碼輸出波形圖格雷碼轉換二進位碼電路圖IRE之結構圖圖IRE串列輸出格式圖IRE腳位位元組輸出波形(a)低位元(b)高位元圖數位通訊簡化模型(a)編碼與調變分離(b)編碼與調變組合圖曼徹斯特符號圖在CCW下IRE串列輸出低位元組波形(a)、(b)圖多項式除法圖檢測IRE低位元組串列輸出資料有無發生錯誤圖解碼電路方塊圖圖同步回路圖圖(a)常見非同步化設計(b)邏輯閘部分及波形圖xwwwplcworldcn圖同步化設計圖非同步設計圖同步化設計圖常見非同步清除的設計圖(a)非同步Reset之設計(b)同步Reset設計圖IRE編碼方塊圖圖CW與CCW定義圖CRC編碼的電路設計圖本文系統架構方塊圖圖硬體架構(a)IRE系統解碼硬體(b)CPLD與結合輸出硬體電路圖在CCW下CPLD解碼電路所得位元組資料(a)低位元(b)高位元圖在CW下IRE串列位元組輸出信號(a)低位元(b)高位元圖在CW下IRE串列輸出低位元組波形圖在CW下IRE串列輸出高位元組波形圖在CW下CPLD解碼電路所得低位元組資料圖在CW下CPLD解碼電路所得高位元組資料圖本應用之系統示意圖圖倍頻之關係圖圖度區間的邊界圖相對於輸出的區間圖圖倍頻電路之方塊圖圖倍頻波形圖xiwwwplcworldcn第一章緒論研究動機和目的近年來由於微電子技術的快速發展具有高速運算能力的數位信號處理器(digitalsignalprocessor,DSP)已廣泛應用於各種語音處理、影像處理、數位通訊、以及伺服系統。由於DSP的高速計算能力以往僅能以類比電路實現的控制迴路也得以數位方式實現就伺服系統而言這包含了扭矩迴路、電流迴路乃至於功率轉換器的脈寬調變控制。圖為常見的控制系統架構。基本上一個伺服系統的設計牽涉到伺服馬達與回授感測元件的選擇、微處理器與關鍵功率元件的選擇、相關軟硬體的設計等而國內在整個伺服系統設計上皆有能力自製唯獨回授感測元件上幾乎皆從國外進口。而往往一馬力以下編碼器之進口價就佔了馬達成本的一半。編碼器(Encoder)為一感測元件用以監視物體的運動狀態或量測位置。一個標準的編碼器將位置的運動轉換成為一連串的脈衝訊號然後再據以轉換成與控制相關的訊號如轉速位置或方向等。而一般的編碼器的硬體型態有二種分別為絕對式(Multiturnabsoluteencoder,MAE)與增量式(incrementalencoder,IE)。目前國內廠商在非伺服運動控制應用上仍自製磁式旋轉編碼器(MagneticrotaryencoderMRE)來使用唯解析度不高但在系統上省了不少成本增加了競爭力。對於伺服馬達而言要精準的定位需要更高效能的編碼器。吾人皆知增量型編碼器較便宜而絕對式編碼器非常貴而且兩者輸出信號又不能互相支援所以由於兩者的界面不同組裝機器之型態亦將不同而絕對式編碼器少為人使用不僅如此兩者之輸出線較多會增加成本與斷線之可能性因此有些伺服馬達製造商便將兩種編碼器整合為一(IntegratedrotaryencoderIRE)來克服上述問題。由於各家馬達製造商視上述內容為絕對機密他人不易獲得相wwwplcworldcn關資料。所以在現今馬達的編碼器系統中使用絕對式與整合式編碼器的馬達中常需搭配系統廠商的控制器來配合使用往往提高了其使用上的限制及價格。而控制器的前端部份常有CPLDFPGA來作其外部搭配的界面本文提出使用CPLD去解決其搭配問題利用CPLD的可程式規劃邏輯把整合式編碼器的解碼電路設計出來解決其單一廠商的限制性。PWMAmplifierServoMotorLOADCurrentLoopControllerVelocityLoopControllerPositionLoopControllerMotionControllerCurrentFeedbackVelocityFeedbackPositionFeedbackTorqueLoopControllerTorqueestimator圖控制系統架構本文架構本論文內容共分為五章節:第一章針對本文的研究動機和目的予以概要說明。第二章介紹編碼器包括有增量式、絕對式、整合型編碼器。第三章介紹編碼理論。第四章說明解、編碼器的設計流程。第五章介紹實驗硬體架構和實驗結果以及應用和未來展望。wwwplcworldcn第二章編碼器在伺服馬達位置控制中速度和位置控制須搭配感測器對速度和位置訊號做量測在加以回授控制。而編碼器檢測可動部分的位移、速度以數位信號輸出的。適於並廣用於機械裝置的電腦控制。編碼器的種類很多可依其動作原理或量測對象等分類。依據動作原理分為光學式、磁性式、刷子式、電磁感應式、靜電容量式等。其中光學式、磁性式最常用。又依量測對象分為量測直線位移的線性編碼器、量測角度位移之旋轉式編碼器。又可分為輸出相對位移量的增量型和輸出絕對位移量的絕對型。編碼器今日所用之編碼器依其物理原理可分成下列六大類:()光電取樣:具有透明與不透明區塊之圓盤由LED發光多個光感測器取樣得到馬達之位置量其優點是信號處理容易解析度高溫度靈敏度低市場佔有率最高缺點為煙霧會影響其功能。()霍爾效應與magnetotransistorresistor:具有旋轉磁鐵由磁鐵盤旁之霍爾元件或magnetotransistorresistor來取樣信號其優點是價廉體積小市場佔有率持續增高缺點是每批材料磁性靈敏度不同。()Resolver:AC馬達具有不同之繞組以獲得位置資料其優點是不受環境影響其特性缺點是價格高且出廠前須先調整。()機械取樣:具傳導與非傳導區塊由滑動接觸區塊來取樣信號優點是便宜缺點是有磨損問題及準確度低。wwwplcworldcn()電容性取樣:依馬達轉子位置輸出不同之電容值其優點是低電流缺點是信號處理不易。()電感性取樣:具改變電抗之線圈優點是不佔空間缺點是容忍度低。目前所常用的編碼器大多是不需經由ADC轉換器直接由數字格式產生角度位置資料。這類的光學編碼器具有許多槽孔(slot)的盤子與一個軸相接。安排一組或多組光源與光接收器的裝置使光電盤旋轉時槽孔會切斷光束。軸的角度由光接收器的輸出得知。光電編碼器係一種機電整合的光學裝置可用以監視自動化設備操作機構的運動狀態(旋轉之角位移及行進之距離)借著光電編碼器的出現使量測工具得以結合光與電之感應和電子數位邏輯運算產生極快的量測速度將量測工作推向新的里程碑並可反饋到控制裝置以指示實際的機件狀態及角度與直線位移量以達到實際控制要求。光學編碼器目前有兩種絕對型編碼器(absoluteencoder)與增量型編碼器(incrementalencoderIE)絕對型編碼器因可直接回報絕對位置需要精密的光接收器定位及較複雜的結構所以較為昂貴。增量型的編碼器利用多組的光接收器與邏輯電路來判斷相對位置與正反轉。如果要增強它的解析度需要更多的光學傳送接收組與更多位元的解碼器但是更多的不同位置的光傳送接收器將使定位精準的問題更加重要。光電編碼器之優點如下:1.光學的材質光電編碼器之週期性結構的標準物均為玻璃材料製成一個固定不動為基準尺又稱本尺或主尺一個則移動或轉動稱為游尺或副尺在測量時可完全不受磁力線干擾的影響因此機件加工時可使用電磁性夾具或夾頭來夾持工件。又因光電編碼器的材質大都為玻璃材料製成(除超過三公尺之光學尺用不銹鋼帶片作成外)歷久不變形故量具耐久性非常良好。wwwplcworldcn2.精確度高、耐久性良好光電編碼器主尺和副尺上之刻線精度可以利用雷射干涉測量儀校驗其最小條紋間隔之值可達20μm至10μm再利用電路分割所以精確度甚高。.良好的保護構造光電編碼器具有防油的特性在切削加工的環境中可進行精密測量的工作不會因為切削劑的侵入以致令量具量測發生故障。這種保護構造的設計可增長量具之使用壽命。4.維護容易光電編碼器量測時其兩尺之間並無直接接觸因此即使移動亦不產生磨損故量具之壽命甚長而且不須作特別維護萬一產生突發性故障則需將主尺更換。光電編碼器按其量測對象來分類可分為:(1).光電長度編碼器:以長度為量測對象在量測位置上由各帶的明暗組合可求得絕對位置。常在一些需作高精度之線性定位的場合中使用。以所有的編碼器而言光電長度編碼器可提供最佳的量測品質。它的優點是不需要計算脈波數可立刻檢測絕對位置因此可高速量測不會因雜訊和電源之ON、OFF而發生誤差可靠性高等。缺點是高解析度化時由於編碼模樣複雜無法得到和增量型一樣高解析度以及構造複雜等。(2).光電圓編碼器:以角度為量測對象然而亦常用於直線長度之精密量測場合裡。由於機件之直線及旋轉運動常是由馬達旋轉來帶動並作減速及轉換因此圓編碼器比長度編碼器還要常見。圓編碼器又稱軸編碼器將軸的旋轉角度量編碼以計數再與機械中螺桿之螺距相乘如此便可計算其長度。wwwplcworldcn旋轉編碼器的性能光學式圓編碼器又稱光學分角儀其動作原理為:具有細縫的圓盤與檢出細縫相向而置裝於旋轉軸上軸旋轉時光偵測器經由細縫交錯時感應到明暗的變化由於在細縫的圓盤與檢出細縫兩側裝有光源、透鏡和光偵測器因此圓板旋轉一個間距光偵測器經由檢出細縫得到一次光的明暗變化。波形的輸出信號經過整形為脈衝波形處理後以計數器計算脈衝數即可測量得軸的旋轉量。如需要更細的解析度時可利用電子回路進行分割如在每轉分割的光電式圓編碼器加裝四分割回路時解析度成為個圓。光電式圓編碼器常因細縫圖版之製造精度及偏心誤差而影響其角度判讀之誤差量。增量式編碼器(IncrementalEncoder,IE)增量式編碼器其圓板為等間隔的細縫及基準細縫其構造簡單易於製造價格便宜零點可設定任意角度位置。增量型計數的方式是可在任何點設立原點然後再以數位的方式表示從該原點算起之位移或角度之變化量。因此增量型之編碼器當中斷電源訊號時是不能恢復原來的數值的。增量式編碼器的基本原理如圖所示一旋轉軸帶動刻有細長槽的圓盤兩側分別擺放發光二極體與光電晶體發光二極體光線若透過刻槽讓光電晶體接受到將啟動光電晶體形成通路所以當圓盤不斷旋轉光電晶體將持續送出開路與通路訊號我們只要記錄訊號出現的數目即可計算出旋轉角度。當然圓盤的刻橫分劃越細密所能量測的角度位置精度越高若要測量正反轉位置時則可以藉由不同的刻畫方式將每一個位置區分開來獲得絕對位置的角度變化。圖所示為增量式編碼器之輸出信號wwwplcworldcn圖增編碼器的動作原理圖增量式編碼器的輸出波形由於增量式編碼器基本上輸出信號A相和B相兩信號存在度的相位差故可由相位的超前和落後來判斷馬達的正反轉。如A相位超前B相位代表正轉(CW)B相位超前A相位代表正轉(CCW)。且為了得到更高的解析度可用A、B信號的邊緣觸發來產生倍、倍、倍頻如圖所示。wwwplcworldcn圖利用倍頻技術由於增量型編碼器極容易誤讀同時也無法記錄每一個角度也就是若在量測中突然斷電則所有資訊將全部遺失因此在編碼器的設計中又產生了絕對型角度編碼器。絕對式編碼器(AbsoluteEncoder,ABS)絕對式編碼器是用數位編碼的方式來表示從原點起的變位量亦即在刻度尺刻上尺度記號當副尺停止移動後用讀取符號測訂刻度的位置。絕對型編碼器之優點是讀取座標值計數不會產生累積誤差可靠性高也不會受到中斷干擾之影響唯獨價格高昂如欲提高解析能力外徑也須相對的增加光偵測器也須增加成本自然也提高。絕對型角度編碼器是以多組光電感測器來讀取一組位置資訊因此可以利用二進位碼(Binarycode)將圓分成若干等分如圖(a)所示而每個角度都由一固定的編碼代表此外由於必需考量到雜訊的抑制、判別正反轉、以及防止誤讀提高可靠度因此絕對型角度編碼器在編碼方式上又多採用格雷碼(Graycode)編碼如圖(b)所示格雷碼與一般二進位碼最大的差wwwplcworldcn異在於格雷碼每次只變動一個位元因此不易產生誤讀其輸出波形如圖(a)及圖(b)所示。而兩者編碼方式如表所示轉換電路為圖。(a)二進位碼編碼(b)格雷碼編碼圖絕對型編碼器圖(a)二進位碼編碼輸出波形wwwplcworldcn圖(b)格雷碼編碼輸出波形十進位二進位碼格雷碼表十進位、二進位、格雷碼之比較wwwplcworldcn圖格雷碼轉換二進位碼電路整合式編碼器(IntegratedRotaryEncoder,IRE)由於牽涉工業技術的機密與保護等原因因此並無太多相關資料來討論這整合式編碼器。而此技術一般而言皆附裝於馬達內往往購買時需連同驅動器一起購買大大增加了驅動器之封閉性及整體控制系統的成本。不過整合式編碼器只需要一個增量式編碼器和一個外部電路及電池就能有絕對式編碼器的優點且比絕對式便宜。還是對廠商有其吸引性。其IRE之結構圖如圖所示而輸出信號為(詳細產品資訊請參照附錄一產品目錄):()BBAA,,,增量型兩相信號()ZZ,零信號()WWVVUU,,,,,極感測信號但是它們與ZBBAA,,,,與Z共線只在poweron時出現()ABSABS多轉數之絕對型資料wwwplcworldcn()RESET信號圖IRE之結構圖其中我們發現除了ABSABS多轉數之絕對型資料(由SerialDataInformation,SDI輸出)及清除ABS資料內容所需的RESET信號之外其餘和省線式增量式編碼器輸出型態一樣。其通信方式為曼徹斯特編碼(Manchestercode)與循環冗碼查核編碼(CyclicRedundancyCheck,CRC)同時傳送實現了具有高度信頼的資料傳送。它的輸出結構為個循環週週期(cyclicclock)傳送高、低位元組成筆資料而其中個循環週週期為位元時間(tcy:tcy=外部振盪週期)。是由資料架構為bit時間(tcy)及閒置狀態為bit(tcy)時間所組成。所傳送資料架構是由起始位元(bit)、位址位元(bit)、資料位元(bit)、錯誤檢測碼(bit)和停止位元(bit)所組成共位元。而起始位元除了最初的位元之外其他位元經過曼徹斯特編碼後傳送。因其外部振盪週期(tcy)為sm故位元(bit)時間剛好為sm。ABS編碼器串列信號輸出為圖所示。而IRE的動作原理是將增量型信號A、B及歸零信號Z輸出到位元計數器作一位址計數。因輸出格式在每一個循環週週期各有一同步信號輸出將計數器資料送至暫存器中儲存以及做CRC的運算。將CRC運算後的資料一並隨暫存器資料依其輸出架構再經由Manchestercode方式輸出。圖(a)為IRE腳位低位元組輸出波形圖(b)為IRE腳位高位元組輸出波形。其中詳細資料請參照附錄二。wwwplcworldcnsmsmsm圖IRE串列輸出格式圖(a)IRE腳位低位元組輸出波形wwwplcworldcn圖(b)IRE腳位高位元組輸出波形wwwplcworldcn第三章編碼理論通道編碼(channelcoding)是指將要傳送的訊號位元或符號經過設計使其更能夠對抗各種的通道干擾如雜訊、衰落(Fading)等。一般通道編碼的目標是為了要減少位元錯誤率和減少訊雜比的要求而其所付出的代價就是使得頻寬增加。對數位通訊系統設計人員而言設計出一個合乎成本效益又提供適當可靠度及品質使使用者能接受的通訊器是一大考驗。圖顯示數位通訊系統的簡化模型個別信號源產生二位元字符的資訊通道編碼器(channelencoder)依預定的規則加入冗餘(redundancy)位元通道解碼器(channeldecoder)在接收端將冗餘除去並判定所傳送的資料。通道編碼器與通道解碼器共同目標為降低通道雜訊的影響亦即在通道編碼器與通道解碼器之間的錯誤最小。外加冗餘位元在編碼訊息中意味著要增加傳輸頻寬且使用錯誤控制碼增加系統的複雜性特別是接收端的解碼部份。因此使用錯誤控制碼達到提高資料傳送品質在設計上必須在頻寬與系統複雜性方面取得平衡。(a)編碼與調變分離wwwplcworldcn(b)編碼與調變組合圖數位通訊簡化模型介紹在惡劣的傳輸環境下想要完成可靠的資訊傳送不外乎是改善傳輸媒介或加強發射功率使訊號得以強化在接收端可以正確的接收資料(在一定的雜訊環境下提高發射功率提高訊雜比)。若對惡劣傳輸環境加上了錯誤更正碼則會因為編碼的技巧使得在接收端可以將資訊的錯誤減低換言之因只要加入錯誤更正碼就可以將錯誤率控制在一定範圍內。在實用上錯誤更正碼使用的額外資訊過大所以錯誤偵測碼的方式較為各種資料通訊及網路系統所採用。在這裹使用了二種編碼方式第一種為曼徹斯特編碼方式、第二種為循環冗碼查核編碼方式。以下我們來介紹這二種編碼方式。曼徹斯特碼(ManchesterCode)曼徹斯特碼是通信中運用比較廣泛的一種編碼方法。曼徹斯特碼又稱為雙相碼。它是用兩個不同相位的二進制新碼去取代的碼。與用高、低電位表示、的非歸零二進制碼相比在連或連的情形下(在通信及數據傳輸等方面這種情形經常發生)更易提取同步信號且有強的抗雜訊能力編、譯碼過程比較簡單。wwwplcworldcn而在這裹的編碼方式「」的表示方式是由低準位變成高準位而「」的表示方式是由高準位變成低準位亦即每個位元中心處都有高低準位的變化不管訊號是「」或「」高低準位均維持一半的時隙。換言之曼徹斯特碼型其脈波僅佔據了T/2的時間這情形和歸零碼型相似。此種編碼方式其目的是在使傳輸信號中的「」與「」均勻分佈以及容易取出同步信號。前章所述位元(bit)時間為sm故在這裹的曼徹斯特符號如圖所示。smsmsmsm圖曼徹斯特符號我們把圖(a)IRE串列輸出低位元波形利用示波器其中的delay的功能。讓波形清楚再和圖在CCW下IRE串列輸出格式結合則成圖(a)低位元波形和(b)高位元波形所示。若基於曼徹斯特碼符號原理於是我們就能得知以下數據如表與表。圖(a)在CCW下IRE串列輸出低位元組波形wwwplcworldcn圖(b)在CCW下IRE串列輸出低位元組波形ADDADDDDDDDDDDCDDCDDC表在CCW下IRE低位元串列輸出資料FFwwwplcworldcn圖(a)在CCW下IRE串列輸出高位元組波形圖(b)在CCW下IRE串列輸出高位元組波形wwwplcworldcnADDADDDDDDDDDDCDDCDDC表在CCW下IRE高位元串列輸出資料FFF再利用表、表與附錄二資料輸格式可得知表傳輸資料STDATANDDATASTDATANDDATADDDDDDDDDDDDDDDD表在CCW下IRE串列輸出傳輸資料wwwplcworldcn循環冗碼查核(CyclicRedundancyCheck,CRC)循環冗碼查核是一種最常見且功能強大的錯誤檢測碼其描述如下給定一個k位元的資訊區塊發射機產生nk位元序列稱之為訊框檢驗序列(framechecksequence,FCS)這樣組成一可被預定數除盡的n位元訊框。接收機將接收到的訊框除以相同之數如果沒有餘數則表沒有錯誤發生。由下圖可以清楚得知一組rkn=位元的碼是由r位檢查碼元及k位訊息碼元所組成將碼長為n訊息碼長為k的線性碼表示成(n,k)。接下來我們透過模運算、多項式來闡明CRC技術。模運算(ModuloArithmetic)模運算使用無進位的二進制加法相當於互斥或(exclusiveOR,XOR)運算。為方便說明一些參數定義如下T=傳送之n位元訊框。D=k位元的資料或訊息即T之前k位元。F=(nk)FCS位元即T之後(nk)位元。P=(nk)位元模式序列即預定之除數。k位元訊息碼元r位檢查碼元n位nk位wwwplcworldcn我們希望TP整除沒有餘數下式可清楚表示T、D和F的關係FDTkn=式中D乘上nk的作用是向左移動nk位元且原位元補零再加上F可得到D和F的連結訊框T。我們要T被P整除假設nkD除以PPRQPDkn=()會有商數和餘數因為是基底為的算術其餘數總是會比除數至少少一個位元這個餘數則如同FCS然後RDTkn=()為了看到這個R滿足PT沒有餘數的條件嗎?PRPDPRDPTknkn==代換()式可得PRPRQPT=記得模運算中任何二進數加上自己本身會得到0因此可得QPRRQPT==PT整除得以驗證。於是可以容易地產生FCS即Dkn除以P之()kn餘數位元當作FCS。接收機利用PT整除與否得知傳輸是否發生錯誤。現在舉一個簡單例子來說明範例:wwwplcworldcn給定訊息=D(位元)模式序列()位元=PFCS=R待計算(位元)可知n=、k=和(nk)=將訊息乘上得到將結果除以P將餘數加D得到T=然後傳送此資料序列。假如傳輸沒有錯誤發生接收機將完整接收到T將接收訊框除以P:因為餘數為可判定沒有錯誤發生。wwwplcworldcn模式序列P比FCS多一個位元其模式的選擇取決於預期錯誤的型式其最低限制:P的最高和最低位元都必須為1。有一個簡潔方法來描述一個或多個錯誤發生之情況我們知道錯誤發生即位元反轉這相當於輸入位元和位元作XOR運算(位元和1作模加法)即=和=據此可藉由n位元序列某一位置放位元1來表示表示n位元訊框在該位置發生錯誤。其rT訊框表示如下ETTrÅ=式中T=傳送訊框E=錯誤發生位置為位元1之錯誤模式。Tr=接收訊框假如有錯誤()¹E只有當Tr整除P(相當於E整除P)時接收器不能檢知錯誤直覺上此情形好像不可能發生。多項式(Polynomials)第二種了解CRC程序的方法是將所有位元值表示成X變數的多項式之二進制係數也就是說係數與二進制數中的位元相對應。繼續使用模運算現將CRC程序描述如下:()()()()()XPXRXQXPXDXkn=()()()XRXDXXTkn=wwwplcworldcn我們可將()和()式做一比較。範例:與先前的例子相同我們可將D=和P=分別表示成D(X)=XXXX和P(X)=XXX而餘數R=對應R(X)=XXX。圖展現多項式除法及對應先前之兩進制除法。只有當E(X)可整除P(X)時E(X)偵測不到錯誤。文獻顯示下列全部情況E(X)無法被適當P(X)除盡因此可檢知錯誤:l假如P(X)為一非零項多時可以檢知所有單一位元的錯誤。l只要P(X)包含一個三項因式可以檢測所有雙位元的錯誤。l只要P(X)含有因式(X)可以檢測任意奇數個位元的錯誤。l任何少於或等於(nk)位元的連續突發錯誤(也就是說此連續錯誤長度小於或等於FCS的長度時)可被檢知。xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx)(®xxxxPxxxxxx)(xR¬)(xD¬)(xQ¬圖多項式除法l(nk)位元連續突發錯誤的片段佔(nk)時錯誤可被檢知。l長度大於(nk)連續突發錯誤的片段佔(nk)時錯誤可被檢知。此外假如所有錯誤模式出現機率相等(r)個連續突發錯誤未被檢知的機率為r更長連續突發錯誤未被檢知的機率為r其中r為FCS的長度。wwwplcworldcn而本電路所選用多項式為()所示除了起始位元(bit)、停止位元(bit)之外的剩下的位元經過本多項式做CRC編碼運算如照表及表來檢視經過CRC編碼後傳輸中有無錯誤產生如圖及圖所示()=XXXP()圖檢測IRE低位元組串列輸出資料有無發生錯誤wwwplcworldcn圖檢測IRE高位元組串列輸出資料有無發生錯誤因為兩者餘數為可判定此一完整資料沒有錯誤發生。wwwplcworldcn第四章解、編碼器設計流程經過前章所述之編碼理論後相信對於整合式編碼器就其輸出波形與編碼方式有一定之概念接下來我們來探討如何將編、解碼電路設計於CPLD內部。以及說明各解、編

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