前言

在工業(yè)自動化、協(xié)作機器人、智能物流等多個領域，伺服系統(tǒng)的高精度位置反饋直接決定設備運動控制精度與可靠性。傳統(tǒng)編碼器接口方案通常帶有協(xié)議兼容性差、通信延遲高、系統(tǒng)集成復雜等痛點，而Analog Devices Inc.（亞德諾半導體，簡稱ADI）旗下 Trinamic推出的TMC8100通用編碼器總線控制器，憑借“多協(xié)議兼容、高集成度、工業(yè)級可靠性”三大核心優(yōu)勢，成為破解上述痛點的專業(yè)解決方案，可無縫銜接絕對/增量編碼器與運動控制器，實現(xiàn)精準、高效的位置數(shù)據(jù)傳輸與處理。

一產品概述與核心定位

TMC8100是一款專用串行協(xié)議轉換器IC，特別適用于絕對編碼器總線協(xié)議，其核心定位是“編碼器與控制器之間的協(xié)議橋梁”：既可用作絕對編碼器總線協(xié)議的總線控制器，也可作為外設通過SPI或UART接口連接微控制器/運動控制器，實時提取、調整并輸出編碼器位置信息。其集成可編程高性能串行通信引擎（支持同步/異步數(shù)據(jù)傳輸，最高速率16Mb/s）、時鐘發(fā)生器、計數(shù)器/定時器、可編程CRC發(fā)生器及多類型接口（SPI/UART/I2C），可大幅簡化編碼器接口電路設計，減少外部元件數(shù)量，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)應用對高精度、高可靠性位置檢測和運動控制的嚴苛要求。

TMC8100框圖

二主要技術特性

TMC8100具備一系列先進特性，使其能夠為各類設備提供可靠、精確的位置反饋。

（一）全面的協(xié)議體系：TMC8100支持覆蓋同步、異步及增量編碼器三大類協(xié)議，兼容主流工業(yè)標準，無需額外邏輯芯片即可適配多品牌編碼器：

同步串行總線協(xié)議：支持SSI（同步串行接口），支持標準同步串行協(xié)議；SPI（外設模式，非主接口），提供高速外設接口通信；BiSS C（雙向同步串行），支持雙向同步串行通信；及EnDat 2.x，處理海德漢高性能絕對編碼器協(xié)議。完美兼容主流工業(yè)標準，滿足高精度絕對位置反饋需求。

異步串行總線協(xié)議：如Nikon A-format，支持尼康專用異步協(xié)議；同時支持自定義異步協(xié)議，可通過編程實現(xiàn)特殊幀格式。

增量編碼器接口：支持A/B/Z正交信號輸入，可實現(xiàn)x1（單邊沿計數(shù)）、x2（雙邊沿計數(shù)）、x4（四倍頻解碼）三種解碼模式，支持INDEX信號精確定位與HOME開關觸發(fā)，兼容傳統(tǒng)增量編碼器的向后兼容需求。

（二）高性能通信架構設計

TMC8100采用低延遲、高可靠的通信架構設計：

1.高速接口配置：

SPI接口：25MHz系統(tǒng)接口（外設模式，非主接口），為系統(tǒng)提供高速配置和數(shù)據(jù)傳輸快速通道，用于配置、控制及位置數(shù)據(jù)讀取，64×32bit FIFO transmit緩沖器（減少運動控制器中斷頻率）。

雙UART接口：每路獨立支持最高16Mbit/s通信速率，8字節(jié)接收緩沖+8字節(jié)發(fā)送FIFO，支持autobaud（自動波特率檢測，基于0x55字符）與超時檢測，用于配置、控制和定位，實現(xiàn)多設備并行通信；

I2C接口：僅支持控制器（Master）模式，用于連接外部EEPROM（如24LC32/64）實現(xiàn)獨立啟動，或連接溫度傳感器等外設，支持備用的低速配置通道。

2.時鐘與數(shù)據(jù)處理

時鐘系統(tǒng)：支持三種時鐘源——內部15MHz振蕩器、外部時鐘（1~32MHz）、晶體振蕩器（8/16/24/25/32MHz，推薦負載電容9pF），內置PLL倍頻技術可輸出75/100/128MHz內部系統(tǒng)時鐘，支持時鐘丟失檢測（切換回內部振蕩器），確保時鐘穩(wěn)定性；

數(shù)據(jù)可靠性：集成32位可編程CRC發(fā)生器（支持自定義多項式）、超時計數(shù)器（防止數(shù)據(jù)傳輸卡頓），確保位置數(shù)據(jù)無錯傳輸。

（三）電源管理

寬電壓供電范圍：2.5V至5V單電源設計，內置1.8V LDO（輸出需接2.2μF低ESR陶瓷電容），靜態(tài)電流（VCCIO=3.3V，RESETN 低）典型值100μA，動態(tài)電流（128MHz PLL 輸出）典型值22mA，適應工業(yè)現(xiàn)場等各種電源環(huán)境。

多級電源管理：內置電壓調節(jié)器和電源監(jiān)控電路。

智能功耗管理：動態(tài)功率調節(jié)技術顯著降低系統(tǒng)功耗，提升能效表現(xiàn)。

（四）工業(yè)級硬件規(guī)格和豐富接口資源

TMC8100采用緊湊封裝與魯棒設計，適配工業(yè)惡劣環(huán)境：

封裝與散熱：TQFN24封裝（4mm×4mm，0.5mm引腳間距），緊湊高集成度，節(jié)省寶貴PCB空間：裸露焊盤（EP）需接GND平面并預留多過孔，熱阻θJA為60℃/W（四層PCB）、68℃/W（單層PCB），確保高負載下散熱效率；

可靠性防護：所有引腳支持±2kV HBM ESD保護，工作結溫范圍-40℃~125℃，支持過溫預警（120℃）與關斷（143/150/157℃可選），適應高低溫工業(yè)場景。

TMC8100引腳配置圖

TMC8100憑借全面的協(xié)議支持、高性能通信架構設計和可靠的工業(yè)級硬件規(guī)格，能夠為自動化領域接口協(xié)議設計提供理想解決方案。

三系統(tǒng)架構與功能特點

（一）核心處理架構：硬件加速+可編程靈活度

TMC8100采用“哈佛架構”分離程序與數(shù)據(jù)總線，核心由串行通信引擎與增量編碼器解碼器兩部分組成，兼顧硬件加速與軟件可編程性：

1.串行通信引擎：

8×8bit通用寄存器組，支持16位指令（單周期執(zhí)行），內置8級調用棧（支持嵌套子程序）；

硬件循環(huán)支持（REP指令）：可重復1~8次執(zhí)行1~4條指令，減少循環(huán)overhead，適配協(xié)議幀解析等重復操作；

實時錯誤處理：集成超時計數(shù)器（8位，可編程上限），超時后自動跳轉至預設地址，避免通信卡死；

2.增量編碼器解碼器：

32位位置計數(shù)器（支持循環(huán)計數(shù)，可編程上限），支持x1/x2/x4解碼模式，可通過Z信號或 HOME信號觸發(fā)位置捕獲/復位（單次或持續(xù)觸發(fā)）。

2路32位比較寄存器：可配置COMPARE_OUT信號（可編程脈沖長度），用于同步外部設備（如伺服驅動器使能）。

輸入濾波：ENC_A/B/Z與HOME信號支持可編程采樣分頻（1~256分頻），抑制高頻噪聲，提升信號可靠性。

（二）數(shù)據(jù)處理與緩沖機制

為平衡通信實時性與穩(wěn)定性，TMC8100采用分層緩沖設計：

SPI緩沖：64×32bit FIFO transmit緩沖器，支持“丟棄舊數(shù)據(jù)”模式（TX_SKIP=1），確保運動控制器讀取的始終是最新位置數(shù)據(jù)。

UART緩沖：8字節(jié)接收緩沖（支持1~8字節(jié)消息長度配置）與8字節(jié)發(fā)送FIFO，超時檢測（16 位計數(shù)器）自動清空不完整消息。

數(shù)據(jù)同步：DIRECT_IN/OUT接口支持納秒級延遲（傳播延遲mismatch≤7ns），適配高速同步協(xié)議（如BiSS C）的時鐘與數(shù)據(jù)對齊需求。

四

廣泛應用領域

TMC8100憑借多協(xié)議兼容與工業(yè)級可靠性，廣泛應用于以下領域：

（一）工業(yè)制造領域：

高精度數(shù)控機床：通過EnDat 2.x協(xié)議連接主軸絕對編碼器，實現(xiàn)±0.001mm級高精度位置反饋，25MHz SPI確保位置數(shù)據(jù)實時傳輸；

自動化生產線：通過SSI協(xié)議連接傳送帶定位編碼器，x4解碼模式提升定位精度，支持多軸同步（如雙傳送帶協(xié)同）。

（二）機器人與協(xié)作機器人：

關節(jié)位置檢測：通過BiSS C協(xié)議連接關節(jié)絕對編碼器，16Mb/s UART實現(xiàn)低延遲數(shù)據(jù)傳輸，避免協(xié)作機器人碰撞風險；

末端執(zhí)行器：通過增量A/B/Z編碼器實現(xiàn)夾爪位置反饋，HOME信號觸發(fā)歸位校準，確保抓取精度。

（三）自動導引車（AGV）：

自主導航AGV/AMR：通過SPI連接激光雷達編碼器，128MHz內部時鐘確保位置數(shù)據(jù)實時處理，支持多傳感器數(shù)據(jù)融合，為自主導航車輛提供精確位置和方向信息。

（四）醫(yī)療設備：

手術機器人：通過EnDat 2.x協(xié)議實現(xiàn)關節(jié)高精度位置反饋，±2kV ESD保護確保設備在醫(yī)療環(huán)境中穩(wěn)定運行。

五

完整的開發(fā)支持體系

域發(fā)揮

ADI為TMC8100提供了完整的開發(fā)支持體系。TMC8100-EVAL-KIT評估板包含所有必要硬件，提供完整的評估套件。開發(fā)軟件上，ADI的TMCL-IDE提供先進的圖形化開發(fā)環(huán)境，簡化配置和調試功能。Landungsbruecke 接口板提供便捷的PC連接和實時監(jiān)控能力，將TMC8100-EVAL連接至Landungsbruecke PC接口板后，即可訪問圖形用戶界面TMCL-IDE及其快速開發(fā)工具。還有示例代碼庫，里面豐富的代碼示例能夠幫助工程師進一步加速開發(fā)進程。ADI還提供詳細的設計資源和文檔，包括技術文檔、應用指南、參考設計等等。TMC8100完整的開發(fā)支持體系能夠幫助開發(fā)者快速評估和設計開發(fā)。

TMC8100-EVAL-KIT

六技術發(fā)展趨勢與未來展望

TMC8100通用編碼器總線控制器代表了編碼器接口技術的先進水平，其強大的協(xié)議兼容性、高性能處理和高集成化特征使其成為工業(yè)自動化、機器人技術和自動引導車等領域的理想選擇。隨著工業(yè)4.0向“柔性制造”、“數(shù)字孿生”升級，編碼器接口方案需滿足“更高精度、更低延遲、更靈活兼容”需求。TMC8100的可編程架構可支持未來協(xié)議升級（如EnDat 3.0），其高集成度設計也為“小型化伺服系統(tǒng)”（如微型協(xié)作機器人）提供可能。此外，ADI 正通過固件升級擴展TMC8100的多軸同步能力（如支持2路編碼器同時解碼），進一步適配復雜運動控制場景（如多關節(jié)機器人）。TMC8100將憑借其卓越的性能和廣泛的應用適應性，成為連接數(shù)字世界與物理世界的重要橋梁，推動工業(yè)自動化向更高水平發(fā)展。