編碼器_傳感器_讀碼器_機器視覺 - 西安德伍拓自動化傳動系統有限公司
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                            編碼器通信新篇章:BiSS總線技術深度解析

                            編輯:小伍    發布時間:2024-04-12 09:31:04

                            摘要:BiSS總線幀格式始終保持穩定,這使得眾多編碼器廠商能夠放心地推出基于BiSS的編碼器產品,進一步推動了BiSS協議在市場上的普及。目前,全球已有超過278家廠商加入BiSS協議會員大家庭,共同推動這一協議的發展與進步。
                            編碼器通信新篇章:BiSS總線技術深度解析

                            BiSS通信協議是一種專為實時、雙向、高速編碼器通信設計的全雙工同步串行總線通信協議。它在硬件層面與工業標準的SSI(同步串行接口協議)總線協議保持兼容,因此特別適用于運動控制領域,特別是伺服驅動器與編碼器之間的通信。

                            編碼器總線的發展態勢與現狀


                            隨著現場總線技術的日益成熟和SOC片上系統的廣泛應用,控制系統正朝著全數字化的方向邁進,這已成為該領域的發展重點和研究焦點。編碼器作為這一變革中的關鍵部分,其數字化發展帶動了絕對式編碼器和相關通信總線的技術革新。鑒于編碼器在運動控制中的廣泛應用,編碼器總線必須滿足運動控制器對精度、分辨率和響應速度的高標準需求。具體而言,這些需求可歸結為以下五大特性:

                            高速通信:確保更快的響應速度。
                            時延固定:保證編碼值的物理意義準確性,便于伺服控制器的算法調整。
                            數據診斷:提高系統的穩定性和可靠性。
                            雙向通信:實現信息的實時交互。
                            低成本:滿足廣泛的市場應用需求。
                            若考慮使用CAN總線進行編碼器通信,我們會發現其通信過程中存在采樣滯后的問題,且這個滯后時間并非固定。相較之下,BiSS在MA(主機發出的時鐘)的第一個上升沿即進行數據采樣,理論上實現了無延遲的通信。

                            目前,通用現場總線在高速編碼器通信方面的應用仍顯不足。市場上多數專門用于高速數據通信的傳感器總線是由編碼器廠商自行開發的,因此具有較強的封閉性。盡管如此,也有一些開放且通用的協議嶄露頭角,如BiSS。BiSS不僅是一個國際通用的協議,而且其協議本身是開放的。目前,BiSS通信協議已發展至BISS-C版本,其使用無需支付任何許可費用。此外,BiSS協會的會員還能享受免費的IP核源代碼和技術支持,而且會員資格和入會申請均無需繳納費用。

                            BiSS通信協議的核心技術特點


                            二線串行同步數據總線設計,無論是采用RS422接口實現高達10Mbit/s的波特率,還是使用LVDS接口實現超過10Mbit/s的傳輸速率,都充分展現了BiSS出色的響應速度。

                            通信效率極高,每10微秒即可傳輸超過64個比特,有效負載率高達80%以上。這充分說明了BiSS能夠輕松承載高分辨率編碼器數據,滿足高精度控制需求。

                            線路時分復用技術的運用,使得數據通信信道和寄存器通信信道在每個通信周期內得以高效傳輸。兩者完全獨立,互不干擾。針對無需寄存器通信的應用場景,BiSS提供了CUnidirectional版本,進一步簡化了通信過程。這一特性提升了控制系統的穩定性和操作便利性。

                            BiSS采用了多種安全機制,確保數據傳輸的可靠性。其中,延遲補償技術有效彌補了傳輸線帶來的信號延遲問題。同時,兩組CRC生成多項式分別對傳感器數據與寄存器數據進行校驗,增強了數據的完整性。此外,協議幀中的報警位和錯誤位,以及可自定義的CRC生成多項式,都為數據傳輸提供了強大的安全保障。特別是在高安全要求的場合,BiSS還支持使用16位CRC,進一步提升數據傳輸的可靠性。

                            數據同步是BiSS協議的另一大特點。利用時鐘信號同步傳感器數據,確保每個傳感器在接收到第一個時鐘脈沖時進行數據更新。這種設計使得每一幀數據到達后續電子設備的傳輸延遲保持一致,方便進行時延補償。因此,BiSS特別適用于對時間位置關系要求苛刻的應用場景,如電機控制等。

                            BiSS還具備強大的組網能力。通過構建單總線傳感器環網,可以在一個通信周期內同步采集所有傳感數據。這種設計不僅提高了數據采集的效率,還展現了BiSS的擴展性和前瞻性。

                            最后,BiSS協議支持即插即用功能。通過從寄存器讀出編碼器參數來配置數據通信,使得支持BiSS標準EDS和Profile的編碼器和控制系統能夠直接通信,無需修改任何程序。這一特性體現了BiSS的高度開放性和兼容性,為用戶提供了極大的便利。

                            BiSS通信協議的基本內容詳解


                            一、組網方式概覽

                            BiSS通信協議提供了靈活多樣的組網方式,以滿足不同應用場景的需求。其中,point-to-point方式是最基本的組網形式,它實現了單個后續電子設備(如PLC)與傳感器之間的點對點通信。在這種方式下,后續電子設備作為Master,通過差分信號向作為Slave的傳感器提供時鐘,傳感器則同步地通過差分信號向Master發送傳感數據。這種點對點通信模式不僅支持數據接收,還實現了雙向數據通信。

                            圖1point-to-point組網
                            圖1point-to-point組網

                            除了point-to-point方式外,BiSS還支持Multi-slaveNetworking多從機組網方式。在這種模式下,Master可以在一個周期內完成與多個Slave之間的通信。所有設備按照菊花鏈首尾連接,每個Slave具備兩個端口,分別用于接收前端信號和向后端發送信號。這種類似流水線的工作方式確保了每個Slave能夠接收上一個Slave的數據并將其放入自己的發送隊列隊尾,同時優先發送自身的數據。整個通信過程由Master發出的時鐘信號進行同步,確保數據傳輸的準確性和可靠性。

                            圖2Multi-slaveNetworking組網
                            圖2Multi-slaveNetworking組網

                            二、BiSS幀結構與數據通信細節

                            在point-to-point組網方式下,BiSS通信幀的結構如圖3所示。MA信號由Master發出,用于驅動通信過程;而SL信號則是Slave發出的數據信號。完成一個BiSS通信幀意味著Master已經成功接收到一幀數據。

                            圖3point-to-point組網的BiSS幀結構
                            圖3point-to-point組網的BiSS幀結構

                            對于Multi-slaveNetworking組網方式,每個Slave不僅需要發送自己的數據,還需要接收并轉發前一個Slave發送過來的數據。這種通信模式如圖4所示,展示了在多從機組網下BiSS通信幀的結構特點。

                            圖4Multi-slaveNetworking組網的BiSS幀結構
                            圖4Multi-slaveNetworking組網的BiSS幀結構

                            BiSS通信過程涉及多個狀態的切換,包括IDLE(空閑)、StartFrame(幀開始)、Tranmission(發送)和Timeout(超時)。在IDLE狀態下,BiSS通信處于空閑狀態,MA和SL信號均保持高電平。當進入StartFrame狀態時,Master通過MA發送時鐘信號,Slave在MA的第一個上升沿鎖存傳感器狀態,并在第二個上升沿通過拉低SL信號來應答Master的通信請求。

                            理想情況下,SL拉低與MA第二上升沿之間的時延應非常小。然而,在實際系統中,由于長線延遲、信號整形、濾波以及信號傳遞通過多級門電路等因素的綜合作用,SL信號相對于MA信號會存在一定的相移,導致SL拉低滯后于MA第二上升沿一段時間。這個時延被稱為line-delay線路延遲。為了確保通信的可靠性,BiSS規定在每個通信幀發起時都要檢測并修正line-delay,從而確保BiSS通信的波特率可以達到10Mbit/s。

                            在Tranmission狀態下,SL信號從高電平拉低并保持一段時間,這段時間被稱為ACK,表示Slave已經響應了MA信號并正在進行數據準備。ACK期間的長度與Slave數據是否準備就緒有關,對于特定的Slave,其ACK的長度基本上是固定的。在ACK期間,MA持續輸出脈沖。隨后,SL發送一個BIT的START位(通常為‘1’),表示Slave數據已經準備就緒,并開始發送數據。

                            在數據發送過程中,SL會依次發送一個BIT的CDS信號和一個單周期字段(SCD)。BiSS規定單周期字段的長度應大于4個BIT且小于64個BIT。對于特定應用,字段長度由Slave廠商規定。在數據發送期間,MA持續輸出脈沖。

                            最后,當SCD發送完成后,SL會維持一段時間的低電平,這個時間段被稱為Timeout。對于特定的應用,Timeout的長度由Slave廠商規定。在Timeout期間,MA發送CDM信號,該信號一直維持到SL被拉高。當SL被拉高后,本次通信完全結束。

                            BiSS的寄存器通信機制


                            在BiSS通信協議中,CDM和CDS信號扮演著關鍵角色,它們是實現Master與Slave之間寄存器通信的重要信號。當Master與Slave進行多個周期的數據交換后,Slave接收到的Master發送的CDM序列與Master接收到的Slave發送的CDS序列共同構成了BiSS寄存器通信幀,這一結構如圖5所示。

                            圖5多個BiSS幀構成的寄存器通信序列
                            圖5多個BiSS幀構成的寄存器通信序列

                            通過圖6和圖7的時序描述,我們可以清晰地看到BiSS如何與編碼器進行雙向的數據交換。BiSS的寄存器通信機制中,不僅包含CRC校驗確保數據傳輸的完整性,還具備讀回校驗功能,特別是在寫時序中,這一機制進一步提升了通信的可靠性。

                            圖6BiSS寄存器通信寫時序
                            圖6BiSS寄存器通信寫時序

                            圖6BiSS寄存器通信寫時序
                            圖6BiSS寄存器通信寫時序

                            值得一提的是,BiSS的寄存器通信在帶寬占用方面表現出色,相較于EnData2.2和NRZ等其他通信協議,它有著顯著的優勢。這主要得益于其巧妙的通信策略:在伺服控制器初始化時,編碼器參數的讀取操作較多;而在正常工作狀態下,用戶通常更關注錯誤報警信息。因此,BiSS將錯誤報警信息納入實時性較高的數據通信中,而將耗時的寄存器通信通過CDS和CDM信號實現。這種根據數據實時性設計不同通信速率的方法,不僅大幅節約了通信帶寬,還有效降低了通信時延。因此,使用BiSS編碼器能顯著提升控制系統的性能和響應速度。

                            圖6展示了BiSS寄存器通信的寫時序,而圖7則呈現了讀時序,通過這些圖示,我們可以更加直觀地理解BiSS寄存器通信的工作原理和時序安排。

                            BiSS通信協議的實現方法


                            一、硬件解碼方法

                            對于選擇硬件解碼途徑的用戶,可以根據實際應用需求選擇IC-HAUS提供的解碼芯片,或利用其提供的IP軟核進行解碼操作。同時,市場上也有帶有IP硬核的MCU可供選擇。若用戶希望利用IC-HAUS的IP軟核實現數據通信與寄存器兩種功能,建議采用FPGA解碼方式。但需注意,FPGA的資源數應滿足一定要求,如在將BiSS與MCU接口設置為SPI時,資源數需大于1300個LE。若僅關注數據通信功能,CPLD解碼則是一個更為經濟的選擇,但同樣要確保其資源數滿足最低要求。自行設計解碼方案時,需特別注意線延遲的處理,特別是在外引線較長或存在變化的應用中,需進行周期性的線延遲補償。

                            二、軟件解碼方法

                            盡管用戶可以選擇通過IO模擬BiSS時序來實現解碼,但這種方法在實際應用中并不推薦。相比之下,采用MCU的硬件外設進行解碼是更為高效和可靠的選擇。通過利用MCU的硬件外設,用戶可以將BiSS通信速度設定在較高水平,同時顯著減少外部邏輯電路的成本。對于許多應用來說,這種成本節約是相當可觀的,并且有助于產品的系列化推廣。

                            一個功能強大的通用串行解碼模塊,通過采用不同的解碼程序,能夠支持多種串行通信協議,包括全雙工和半雙工等模式。以BiSS為例,我們可以利用SPI的SCK來模擬MA信號,而MISO則可以用來模擬SL信號。然而,在使用這種方法時,我們需要注意以下三個關鍵問題:

                            首先,MCU硬件模塊的FIFO深度是一個需要仔細考慮的因素。有些MCU的SPI寄存器長度是固定的,這意味著在完成一幀BiSS通信時可能需要多次通信和中斷。這可能導致MA信號的波形不連續,從而可能引發通信錯誤。

                            其次,我們需要關注MCU硬件模塊是否具備線延遲補償的能力。具有線延遲補償能力的外設能夠更好地應對實際應用環境的變化,包括需求變化、環境變化以及線路老化等因素。這樣的系統具有更高的可靠性和適應性,相較于沒有線延遲補償的系統更具優勢。

                            最后,CRC解碼能力也是一個不可忽視的方面。CRC校驗對MCU的處理能力提出了要求,因此選擇具備強大CRC解碼能力的MCU對于確保通信的準確性和可靠性至關重要。

                            在使用MCU進行解碼時,我們需要充分考察不同MCU外設的特點和處理能力,同時關注芯片廠家提供的技術支持力度以及是否有成熟的設計案例可供參考。這些因素將直接影響解碼的效率和穩定性,因此需要我們進行認真評估和選擇。

                            三、混合解碼策略

                            對于那些既希望利用硬件解碼的優勢,又想控制成本的用戶,混合解碼策略是一個值得考慮的方案。具體來說,我們可以利用FPGA或CPLD的部分資源來完成數據通信的任務,而將關鍵的CDM和CDS信號的處理工作交給MCU進行。這種策略雖然在某種程度上屬于過渡性質的,但在實際應用中卻展現出了極高的實用性。

                            值得注意的是,在使用這種混合解碼策略時,必須確保CDM信號在通信發起前已經準備好,以確保通信的順利進行。然而,隨著MCU和FPGA技術的不斷進步,這種混合解碼方案可能會逐漸被更為集成化的解決方案所替代,從而進一步降低系統之間的耦合性,提高整體性能。

                            四、BiSS通信幀實例展示

                            為了更直觀地展示BiSS通信的過程,圖8給出了一個BiSS通信幀的實例。通過這個實例,讀者可以清晰地看到BiSS通信幀的結構和各個組成部分,從而更好地理解和應用BiSS通信協議。

                            圖8:BiSS通信幀實例

                            圖8:BiSS通信幀實例


                            BiSS通信協議與其他通信協議的對比


                            BiSS通信協議相較于其他通信協議展現出了顯著的優勢。根據下表1的對比數據,我們可以清晰地看到,在協議開放性、網絡結構以及線延遲補償等方面,BiSS通信協議均表現出領先的地位。尤其是在協議開放性(Availability)和網絡結構(包括Connectivity、Master/Slave數量以及多從機同步Multi-Slave Synchronization)方面,BiSS協議展現出了明顯的優勢。而在高速性(Transmission Rate)和時延(Min Cycle Time)方面,BiSS協議則與Endat2.2相當,表現出同樣出色的性能。

                            值得一提的是,BiSS通信協議的數據通信和寄存器通信占用的是不同的通信信道,這意味著兩者在通信過程中互不干擾,從而確保了通信的穩定性和效率。這一特點使得BiSS通信協議在復雜的工業控制環境中更具優勢。

                            表1:不同編碼器協議的參數對比
                            表1不同編碼器協議的參數對比

                            綜上所述,BiSS通信協議在多個方面均表現出明顯的優勢,特別是在協議開放性、網絡結構和線延遲補償等方面。這使得BiSS協議在工業自動化和編碼器通信領域具有廣泛的應用前景。

                            BiSS通信協議的發展歷程與現狀


                            BiSS通信協議經過十余載的深耕與積累,已經在歐洲得到了廣泛的應用。同時,在中國,這一協議也受到了主要驅動器及編碼器廠商的大力支持與認可?;厮輾v史,2002年BiSS協議首次在歐洲亮相,而在短短一年之后的2003年,BiSS解碼芯片IC-MB3便成功問世,這無疑為BiSS協議的普及與應用奠定了堅實的基礎。隨后,在2009年,BiSS更是推出了單向通信版本,進一步豐富了其應用場景。

                            值得一提的是,BiSS總線幀格式始終保持穩定,這使得眾多編碼器廠商能夠放心地推出基于BiSS的編碼器產品,進一步推動了BiSS協議在市場上的普及。目前,全球已有超過278家廠商加入BiSS協議會員大家庭,共同推動這一協議的發展與進步。

                            歐洲在工業控制領域一直處于領先地位,從CiA402、IEC61131-3等協議的發展歷程中,我們不難看出協議開放已經成為行業發展的主流趨勢。BiSS協議在這方面已經走在了前列,它為用戶帶來了兼容性、低成本和穩定性等諸多優勢。隨著工業自動化的不斷發展,相信在未來,BiSS協議在中國也將取得更加輝煌的成就。

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