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芯片级SPI信号与工业级编码器SSI信号的比较

供稿:上海精浦机电有限公司 2013/12/24 15:22:50

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   近年来国内工业旋转编码器市场常常看到“SSI编码器”,但却存在两种不同的“SSI”信号定义,以至于用户常常搞错而走弯路,而事实上一类是工业级编码器的SSI信号接口,而另一类却是芯片级SPI信号的混淆。本文就此针对SPI信号与SSI信号的不同比较,以试图澄清,避免编码器用户被误导而再走弯路。

1.1. SPI信号

SPI接口的全称是"Serial Peripheral Interface",意为串行外围接口,Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROMFLASH、实时时钟、AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输,以三线或四线的物理结构,信号电压对地,在主器件的移位脉冲下,数据按位传输,高位在前,低位在后,为全双工通信,数据传输速度总体来说比I2C总线要快,速度可达到几MbpsSPI信号传输线少,电路简单,并可多个链式选通而节省接口资源

虽然SPI有以上优点,然而它一般只用电路板上的信号传输,在真正的产品信号传输中却很少用到,原因主要是其抗干扰能力差。SPI采用的是单端非平衡的传输方式,即传输的数据位的电压电平是以公共地作为参考的。在这种传输方式中,对于已进入信号中的干扰是无法消除和减弱的。而信号在传输过程中总会受到干扰,而且距离越长干扰越严重,以致于信号传输产生错误。在这种条件下,信号传输就变得毫无意义了。另外,由于单端非平衡传输方式以公共地作为参考点,地线作为信号回流线,因此也存在信号电流。当传输线两端的系统之间存在交流电位差时,这个电位差将直接窜到信号中,形成噪声干扰。所以,为了解决抗干扰问题,通常采用平衡传输(balanced transmission)方式,这里采用比较常见的RS-422。另外,SPI信号的硬件接口为单端非平衡性器件,信号地与电源0V共地,对于外界较大的感应冲击电压的影响下,较易由地引入反向感应电压的冲击而较易损坏硬件。作为工业用编码器,须通过各种EMC(电磁兼容性)试验才能作为正式产品,但SPI的信号无法通过EMC,其抗干扰性差及器件易损坏而不适合工业级应用,因此是不能用SPI作为工业级编码器信号接口输出的。

2RS-422简介
  
RS-422标准全称是平衡电压数字接口电路的电气特性RS-422标准是RS-232的改进型。它使用两根线之间的电压差来代表逻辑电平,通常称之为双绞线。它是一种平衡传输,任何噪声或干扰都会同时影响两根双绞线中的每一根,但对二者之间的差异影响很小,这种现象称为共模抑制。所以RS-422可以在更远的距离上以更快的速度传输数据,其抗干扰能力远强于RS-232SPI等非平衡传输方式。RS485信号是在RS422的基础上的改进,其对于差分电压的范围更大,差分特性更明显,其最大传输距离约1 200 m,最大传输速度可达10 Mb/s。但是由于线路过长造成损耗,其传输速率会随着距离的增加而下降。RS422RS485信号为国际电工协会确认的工业标准的串行信号。

3. SSI信号

工业旋转编码器标准的同步串行信号Synchronous Serial Interface,由两组RS422差分信号组成,一组由接收信号端控制器发送开始——中断的时钟脉冲,触发编码器设备返回另一组数据信号,每一个时钟周期对应一位数据,在接收端控制器中“同步”读取。

普遍认同的通讯规约:设备在时钟的第一个下降沿准备数据,在随后的时钟上升沿开始发送数据,MSB(最高有效位)开始,连续发送至数据的LSB(最低有效位)后保持0(低)电平等待时钟的稳态,如果时钟没有给出稳态电平,设备重新发送一遍数据。

串行输出分同步与异步界面,同步就是发送指令与数据是同步的,这样就是指令(时钟)走一对电缆,数据走一对电缆SSI只是同步串行界面的简称,用于工业旋转编码器的接口,国际上并没有规定统一的标准,以德国海德汉、STEGMANN(现合并为SICK)为主的绝对值编码器厂商使用的RS422的5V差分、中断时钟同步的SSI标准作为绝对值编码器SSI输出的主流,一些厂家与其相似,但仍然有细微的差别,国内厂家往往不够了解,以为SSI都是一样的,等买来连接起来才发现不对,或者在家里连接的都好的,到了现场连接就不稳定,或工作一段时间之后不稳定(由于对其细小差别的不了解,或因现场因素、或一段时间之后器件的细小变化而产生了变化)。国外厂家出于商业目的,往往要求配置其推荐的后续设备,而对于自行选定或开发的后续设备,除非有很大的量,一般是不确定支持的。国内如自行开发SSI信号传感器或SSI接收设备,应对各种SSI的细微差别充分的了解,如不了解,往往会在家连的好好的,到了现场就经常不稳定,此为在SSI信号的细节上没有处理好。上海精浦提供的绝对值多圈SSI编码器GMX425和GMS412就是参照德国海德汉、德国SICK编码器的标准,与其完全兼容互换,并能连接如西门子PLC与科比变频器等欧系设备的SSI接口。(上海精浦同样可提供RS485信号接口的绝对值编码器。)

同步串行信号的发展:SSI信号是最简单的串行信号,同时,其信号的可靠性就较低,需要在发送-接收做相应的可靠性处理,随着运动控制速度要求越来越高,或数据可靠性要求越来越高,但是“同步串行”信号真正的在更高速或干扰情况下,其实已经不是“同步”了,为此同步串行信号增加了很多新的内容,如海德汉的EnDatSTEGMANNhiperface,以及欧洲一线编码器联盟的Biss,这些信号特点都是传输速度快,为避免传输速度快而产生的错码概率,而增加了循环校验码CRC,并可以读取编码器内部的工作寿命、工作温度、光学读头可靠性等信息,这类编码器目前都是连接其专用的接口,成本较高,主要在高速运动控制中使用。

RS422信号为国际电工协会标准的工业级信号,SSI2RS422信号构成物理结构,其同样符合工业级标准,为此,可作为工业级编码器信号物理接口标准。

4. 芯片级SPI与工业级编码器SSI的混淆

几年前,国外某芯片厂家在国内推广其编码器专用芯片时,国内推广人员错误地将SPI信号与编码器的标准的SSI信号混淆了(同为时钟同步信号而造成误解),并提供了时序图以“SSI”来说明,以至于国内用户对于芯片级SPI与工业级编码器SSI的不同性的模糊认知,事实上该芯片厂家已经更正为SPI的说明,但是国内市场上仍然有将SPI继续混淆为编码器的SSI信号来推销编码器的情况,编码器用户在选购“SSI”编码器时,务必了解清楚其是否为工业级编码器的“SSI”,还是芯片级的SPI信号,以避免走弯路。


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