アプリケーションによっては、コントローラや可変速電動モータドライブで、ロータースピード、位置、方向の任意の組み合わせを測定する必要があります。ロータリエンコーダには、基準点からの相対的な位置を示すインクリメンタルタイプと、ロータの位置ごとに固有のコードを表現するアブソリュートタイプがあり、この目的のために使用されるデバイスです。両者は似たような原理で動作しますが、アブソリュートエンコーダはシステムのスイッチを入れると初期化せずにすぐにローターの位置を特定でき、不意の停電の際にも位置を把握することが可能です。
位置検出には、コードホイールのマークを数えて比較する光学センシングと、コードホイールの回転に伴う静電容量の変化を検出する電気センシングが一般的です。CUI DevicesのAMTシリーズアブソリュートエンコーダのような静電容量式エンコーダを選択すると、コードホイールの汚れやグリース、または不正確な照明やスプリアス照明による光学誤差を排除することができます。CUI Devicesの特許取得済み静電容量技術は、高い信頼性と低メンテナンス性を実現しています。
エンコーダ通信プロトコルの選択肢
もう1つの重要な点は、エンコーダがどのようにホストシステムに接続するか、特に最適な通信インターフェースを検討することです。サプライヤは、シンプルなTTL出力から産業用Ethernetや独自規格まで、さまざまな出力を持つ部品を提供しています。シリアルインターフェースの規格としては、RS-485（TIA/EIA-485とも呼ばれます）、SPI（Serial Peripheral Interface）およびSSI（Synchronous Serial Interface）など、おなじみのものがあり、広く使用されています。設計者の選択は、ホストシステムで利用可能なインターフェースに加え、プロトコルの遅延、最大データレート、エンコーダとホスト間の接続距離、必要なノイズ耐性などの要因に左右されます。
シリアルペリフェラルインターフェース：Serial Peripheral Interface（SPI）
SPIは、クロック信号によって調整される双方向の同期式接続をサポートします。同期通信では、マスターとスレーブの間で共通のデータレートや送信ビット数を設定する必要がないため、やり取りが簡単になります。 Master-Out-Slave-In（MOSI）およびMaster-In-Slave-Out（MISO）のデータ接続により、全二重通信が可能です。多くのホストコントローラは、SPIポートをすでに内蔵しています。これにより、データ転送速度を調整することができることもあり、ネットワーク回路の追加を最小限に抑え、SPIは非常に使いやすい接続を実現することができます。
マスターはチップセレクト信号をアサートすることで、指定したスレーブにデータを要求し、スレーブは即座に応答することができます。これにより、CUI DevicesのAMT22シリーズなどのSPIエンコーダは、極めて迅速にホストへ位置情報をフィードバックすることができます。AMT22はSPI接続でアクセスすると現在位置を表示し、拡張コマンドでゼロ点の設定やエンコーダのリセットを指示することができます。最大クロック速度2MHzにより、データを入力バッファにシフトし、1500ns以内に読み出しを開始することができます。.
クロック信号、MOSI、MISOを共有し、独自のチップセレクトラインを持つ典型的なSPI構成
SPI接続はシングルエンドで、1メートル以下の短い接続距離に最適です。しかし、データレートを動的に調整できるため、遅い速度では、これより長い距離でも性能を発揮することができます。
RS-485
エンコーダがホストから遠く離れた場所に設置される場合、または動作環境に大きな電気ノイズが存在する場合、RS-485差動信号がエラーや干渉に対してより高い耐性を提供することができます。 RS-485通信は非同期式であるため、クロック信号を必要としません。専用のRS-485トランシーバが必要で、距離にもよりますが、通信速度は最大10Mbps、あるいはそれ以上の場合もあります。
データのやりとりはツイストペアケーブルで行われ、ケーブルの両端には通常、ケーブルの特性インピーダンスに相当する抵抗で、正しく終端処理されなければなりません。複数のエンコーダをRS-485シリアルバスに接続することができ、ケーブルとエンコーダを最短距離で接続することが理想的です。
ホストと複数のエンコーダを使用した典型的なRS-485構成
CUI DevicesのAMT21シリーズエンコーダは、RS-485シリアルバスへの接続を想定しており、電源、グランド、2つの差動接続からなる4本のピンで接続されています。デフォルトのプロトコルは8N1（8データビット、パリティなし、1ストップビット）で、下位2ビットがエンコーダへのコマンド、残りのビットがエンコーダアドレスになります。これにより、最大64台のエンコーダがバスを共有することができます。コントローラが位置データ（マルチターンエンコーダの場合は回転数）を読み出すために、エンコーダアドレスとコマンドをバスに入力すると、対象のエンコーダは3マイクロ秒以内に応答します。また、ゼロ位置の設定とエンコーダのリセットのための2つの拡張コマンドがあります。
同期式シリアルインターフェース：Synchronous Serial Interface（SSI）
SSIは通常、差動信号を使用し、チップセレクト信号を持たない同期式シンプレックス単一方向のマスタースレーブ通信プロトコルです。これにより、差動接続による高い耐ノイズ性を確保しながら、シンプルかつ低コストでエンコーダと接続し、ダイナミックな速度調整を行うことができます。
CUI DevicesのAMT23シリーズアブソリュートエンコーダは、シングルエンド通信を特徴とし、チップセレクト接続を使用してホストからバス上の個々のエンコーダを起動させることにより、ワイヤ1本を節約できるSSIのバリエーションを実装しています。SPIとは異なり、ホストはコマンドを送信しません。エンコーダは単に位置データをバス上に置くことで応答し、ホストとエンコーダの間のインターフェースを簡素化しています。CUI DevicesのSSIインターフェースは、チップセレクト機能を持つ市販のSSIコントローラと互換性があります。典型的な接続長およびノイズ性能は、SPIと同様です。
クロックとデータラインを共有し、独自のチップセレクトラインを持つ典型的な3線式SSI構成
結論
CUI Devicesのアブソリュートエンコーダは、機器設計者にアプリケーションに適したエンコーダを選択するための柔軟な選択肢を提供し、ホストシステムとの相互接続を簡素化します。差動RS-485インターフェースは、長い接続距離や高い耐ノイズ性が要求される場合に威力を発揮し、同時に高速通信を可能にします。一方、SPIは実装が容易で、ネットワーク要件も少なく、多くの市販汎用マイコンでネイティブサポートされています。最後にSSIは、同期通信が可能であるということと、配線が少ないことで、シンプルで低コストなエンコーダの選択肢となります。
参考：「アブソリュート・エンコーダの統合 - SPI、RS-485、およびSSIの各プロトコルの概要」
https://jp.cuidevices.com/blog/integrating-absolute-encoders-an-overview-of-spi-rs-485-and-ssi-protocols
こちらもご覧ください。 I²C と SPI プロトコル