基于BiSS協(xié)議的光電編碼器通信模塊設(shè)計(jì)

引言

位置編碼器是工業(yè)自動(dòng)控制中重要的反饋環(huán)節(jié)執(zhí)行元件。位置編碼器按工作方式分為絕對(duì)式和增量式兩種。絕對(duì)位置式編碼器的數(shù)據(jù)輸出一般采用串行通信的方式[1]。位置編碼器的通信速度，在一定程度上影響閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。德國(guó)IC-Haus公司提出的BiSS(Bidirectional Synchronous Serial)協(xié)議是一種新型的可自由使用的開(kāi)放式同步串行通信協(xié)議[2]，使用該協(xié)議通信波特率可以達(dá)到10Mbps，達(dá)到RS422接口總線的波特率上限[3]，是其它一些同類常用串行通信協(xié)議(如SSI，EnDat，Hiperface，起止式異步協(xié)議)的5倍以上。

注：起止式指一種常用的異步串行通信協(xié)議[5]，每幀數(shù)據(jù)包括1位起始位、5-8位數(shù)據(jù)位、1(或0)位奇偶校驗(yàn)位、1(或1.5或2)位停止位。

由表1中可知，BiSS協(xié)議通信波特率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其它協(xié)議，總線連接方式、報(bào)警位、協(xié)議長(zhǎng)度可調(diào)整，工業(yè)應(yīng)用靈活性好，無(wú)協(xié)議產(chǎn)權(quán)成本，全數(shù)字接口無(wú)模擬器件成本?？梢?jiàn)，在通信速度、產(chǎn)品適應(yīng)性、成本等綜合方面，BiSS協(xié)議具有很好的發(fā)展前景。

1、BiSS協(xié)議

BiSS協(xié)議包括讀數(shù)模式(sensor mode)和寄存器模式(register mode)兩部分的內(nèi)容。如圖1、圖2所示，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或總線連接下由主機(jī)發(fā)送MA(master)信號(hào)，編碼器返回SL(slave)信號(hào)。SL的返回信號(hào)是和MA的時(shí)鐘同步的。在寄存器模式下，MA在提供時(shí)鐘的同時(shí)，需要攜帶寄存器地址、寄存器值等信息，這是通過(guò)不同的占空比實(shí)現(xiàn)的：當(dāng)占空比在10%~30%(文中稱為低占空比)時(shí)，同時(shí)表示數(shù)據(jù)0；當(dāng)占空比在70%~90%(文中稱為高占空比)時(shí)，同時(shí)表示數(shù)據(jù)1。

1.1 讀數(shù)模式

在讀數(shù)模式下，通信波特率可達(dá)到10Mbps，MA和SL的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，MA的REQ(請(qǐng)求)位的①~②時(shí)間長(zhǎng)度要小于timeoutSENS(可編程的時(shí)間參數(shù))，編碼器識(shí)別為讀數(shù)模式。在MA的每一個(gè)時(shí)鐘上升沿，SL返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)位。

　　實(shí)際應(yīng)用中，長(zhǎng)距離的導(dǎo)線傳輸、接口電平轉(zhuǎn)換芯片等帶來(lái)的總線延時(shí)(line delay)，會(huì)有SL2的延遲響應(yīng)波形。由此可估計(jì)總線延時(shí)為③~⑧時(shí)間長(zhǎng)度，即MA時(shí)鐘上升沿和SL響應(yīng)位下降沿的時(shí)間長(zhǎng)度，相應(yīng)地延遲采樣時(shí)刻，使通信不受總線延時(shí)的影響。

　　編碼器的位置信號(hào)需要內(nèi)部采集，轉(zhuǎn)換等過(guò)程。當(dāng)編碼器忙不能立刻響應(yīng)主機(jī)的讀數(shù)請(qǐng)求時(shí)，延遲響應(yīng)start位，此時(shí)為SL3的波形，數(shù)據(jù)處理帶來(lái)的延時(shí)為④~⑨時(shí)間長(zhǎng)度。

　　可見(jiàn)，在高波特率的通信狀態(tài)下，仍能通過(guò)估計(jì)總線延時(shí)和忙延時(shí)，準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

1.2 寄存器模式

在讀寫寄存器模式下，通信波特率相對(duì)較低。文中編碼器的寄存器為EEPROM，正常工作上限波特率為250K。MA的REQ位時(shí)間長(zhǎng)度要大于timeoutSENS，編碼器識(shí)別為寄存器模式。寄存器地址序列為③~④波形(讀寄存器、寫寄存器相同)，包括3位的ID(編碼器編號(hào))、7位ADR(編碼器地址)、1位WNR(讀寫標(biāo)志位)和4位CRC(校驗(yàn)位)，同樣使用高低占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的同時(shí)輸出。