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    傳感器

    實時-R系列V傳感器SSI信號的數據采集和傳輸(上)

      2022年03月21日  

      Temposonics R系列V是一款具有強大功能的傳感器,可滿足你應用的多種需求。該系列傳感器支持寬電壓范圍供電,耐高沖擊和振動,可支持Analog、 EtherCAT?、SSI、PROFINET、POWERLINK、EtherNet/IP?等各種信號輸出。

      本文介紹的SSI輸出(同步串行接口)傳感器,可輸出非常穩定的位置信號,最小分辨率高達0.1μm,最小測量周期時間為100μs,數據刷新頻率高達10 kHz。

      對于SSI輸出傳感器,用戶可以選擇異步或三種同步模式來進行測量數據并將其傳輸到控制器。在解釋這幾種不同的模式之前,首先需要解釋以下兩點:

      什么是SSI?

      SSI是同步串行接口的縮寫。該數字接口由Max Stegmann GmbH公司于1985年推出,受益于它的穩定性以及相對簡單的接口電路,在工業場合關于絕對值的測量和傳輸中得到了廣泛的應用。在傳感器內,以R系列V SSI傳感器為例,為了將數據傳輸到控制器,需要移位寄存器和單穩態觸發器共同作用,其中單穩態觸發器用于控制移位寄存器。

      如SSI名稱,顧名思義,該接口逐位逐位地傳輸串行數據。數據傳輸也可以同步到控制器定義的時鐘脈沖。

      SSI是如何工作的?

      在SSI中,數據以串行方式傳輸,控制器據此指定輪詢的時間。在數據傳輸過程中,主要進行的流程如下(圖1):

     圖1:數據長度為n位的SSI數據傳輸的時序圖

      1、在空閑狀態下,當前沒有數據傳輸時,數據位和時鐘位都處于高電平狀態。

      2、在第一個時鐘脈沖的下降沿觸發時,當前位置數據被凍結在移位寄存器中。意味著在當前數據傳送周期完成前,位置數據將不會得到更新。

      3、從接下來的時鐘上升沿開始,第一位數據開始被請求。

      4、從下一個下降沿開始,數據從最高位(MSB)開始傳輸。

      5、后續重復此操作,直到傳輸最后一個數據位(LSB)。

      6、標準單穩態時間始于最后一個時鐘脈沖的下降沿。LSB傳輸完成后,數據位保持在低電平,時鐘位保持在高電平,直到標準單穩態時間結束。然后傳感器就可以傳輸新的數據了。

      對于R系列V SSI傳感器,傳感器電子倉內的溫度參數可以連同位置數據一起被發送。根據圖2中的傳輸圖,這些數據是通過串行傳輸方式一個接一個傳輸的。首先傳輸8位溫度數據,然后傳輸24位位置數據,則數據總長度為32位。如果在傳輸位置數據的同時還傳輸報警位和奇偶校驗位,則在傳輸24位位置數據之后再傳輸報警位和奇偶校驗位。

    圖2:不同數據長度的R系列V SSI傳感器的SSI傳輸報文結構,附帶報警位(A位)和奇偶位(P位)

      解釋完了以上兩點,讓我們進入正題吧。由于文章篇幅有限,我們將分上下篇來介紹,本期將先介紹異步及同步模式1這兩種模式。

      SSI—異步數據傳輸模式

      在異步模式下,傳感器內的位置數據會在傳感器的測量周期允許的范圍內以最快的速度更新,與控制器的詢問周期無關??刂破髦粵Q定何時通過SSI接口請求當前提供的數據。如圖3所示,傳感器進行測量的頻率高于控制器詢問的頻率。在異步模式下,開始測量和傳輸位置數據之間的時間延遲(也稱為時滯)是變化的。

    圖3: R系列V SSI傳感器的異步模式示意圖

      SSI—同步數據傳輸模式

      在同步模式下,傳感器的位置測量以及位置值的傳輸周期會自適應控制器的數據輪詢周期。這意味著傳感器的測量周期與控制器的輪詢周期同步,并決定何時控制器會請求位置值。R系列V SSI可提供三種同步數據采集和傳輸的模式:

      ● 同步模式1

      ● 同步模式2

      ● 同步模式3

      SSI上的同步模式1是什么?

      在同步模式1中,傳感器適應控制器的輪詢周期,然后開始測量,以便在控制器的下一個詢問之前及時完成測量。從而傳輸最新的測量值(圖4)。

    圖4:R系列V SSI的同步模式1示意圖

      從上述圖4中可以看出,測量開始和位置值傳輸之間的延時是恒定的。在異步測量中,時滯的變化范圍很大。恒定的時滯可實現實時的精確位置測量,這也是運動控制應用場合的重要要求。在同步模式下時滯能夠被最小化(圖5)。

    圖5:異步和同步模式下的時滯比較

      什么是“抖動窗口”參數?

      控制器給定的輪詢周期可能會產生變化。這種輪詢周期的不準確性稱為抖動時間。如果發生這種情況,傳感器無法在同步模式下與控制器的輪詢周期同步,并通過led報錯“同步狀態錯誤”。解決的辦法是調整抖動窗口的參數。該參數可通過TempoLink?智能助手對R系列V SSI進行設置。抖動窗口是指從測量結束到控制器下一個數據請求之間的時間。這個時間的單位是μs。一個輪詢周期的抖動窗口如圖4所示。抖動窗口越大,傳感器越早開始下一個位置測量,以便能夠在下一個輪詢周期之前及時提供當前的位置值。這時當輪詢周期不準確時,控制器的數據請求比預期的更早收到,傳感器的位置測量也會因為抖動窗口足夠大而已經完成。但是,增加這個參數會增加傳感器的測量周期。因此,抖動窗口的值必須謹慎選擇,以便在輪詢周期的抖動時間和傳感器的測量周期之間選擇一個合適的比例。

    (文章來源:Temposonics傳感器)

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