Przewodnik po protokołach komunikacyjnych enkoderów absolutnych

Automatyzacja wciąż rewolucjonizuje współczesny świat. Wykracza poza automatykę przemysłową i Przemysł 4.0, obejmując obszary komercyjne i konsumenckie. To tutaj coraz większą rolę odgrywa szerzej rozumiany Internet rzeczy (IoT), który przyczynia się do automatyzacji zadań niegdyś realizowanych ręcznie, a teraz coraz częściej elektromechanicznie.

Mówiąc bardzo ogólnie, silniki elektryczne pozwalają sterować światem fizycznym. Jednak większość silników elektrycznych jest stosunkowo prosta, co oznacza, że zazwyczaj nie zapewniają one żadnych informacji zwrotnych o swoim położeniu. Dotyczy to szczególnie tanich silników używanych po prostu do przenoszenia ładunku. Może to być zaskakujące, ale takie silniki mogą mieć stosunkowo wyrafinowane zastosowania, np. w fotelach samochodowych, gdzie automatycznie dostosowują swoje położenie w zależności od użycia kluczyka do otwierania i uruchamiania pojazdu.

To, że takie podstawowe silniki uzyskują niezbędny poziom „inteligencji”, aby wiedzieć, gdzie znajduje się fotel i jak go wyregulować, zawdzięczamy enkoderom. Podczas gdy niektóre silniki zawierają enkodery, te, które ich nie mają, mogą korzystać z enkoderów zewnętrznych zaprojektowanych do montażu na zewnątrz wału silnika. Istnieją różne typy enkoderów przeznaczonych do takich zastosowań, a każdy z nich wykrywa ruch w inny sposób. Wśród nich są enkodery optyczne, które zliczają impulsy świetlne, gdy obiekt przechodzi przed źródłem światła lub zliczają impulsy generowane przez czujnik Halla, gdy przechodzi przez niego magnes.

Niektóre enkodery, takie jak enkodery absolutne serii AMT firmy Same Sky, łączą w sobie wysoką rozdzielczość oferowaną przez enkoder optyczny z wytrzymałością enkodera magnetycznego. Robią to poprzez kodowanie pojemnościowe, przy którym wykorzystuje się dwie płytki: nadajnikową i odbiornikową, oddzielone trzecią płytką przymocowaną do wirnika. Obracająca się płyta centralna zakłóca sygnał przewodzony pojemnościowo między nadajnikiem a odbiornikiem. Ponieważ zakłócenie nie jest zależne od ruchu, bezwzględne położenie płyty wirnika można wykryć nawet wtedy, gdy się nie porusza.

Zwyczajowo od enkodera wymaga się, aby wykrywał prędkość silnika lub interpretował pozycję elementu poruszanego przez silnik na podstawie liczby obrotów. Konieczne może również być wykrywanie kierunku przemieszczania. Sposób zgłaszania pozycji także może się różnić. Jak wspomniano powyżej, działanie absolutnego enkodera obrotowego nie zależy od znajomości poprzedniego położenia, ponieważ przypisuje on każdemu mierzalnemu położeniu wirnika wartość unikalną. Może to być przydatne w zastosowaniach, które wymagają znajomości położenia silnika po wyłączeniu i ponownym włączeniu zasilania, na przykład gdy ktoś wsiada do pojazdu.

Protokoły używane w enkoderach obrotowych

Informacje muszą być przekazywane do kontrolera niezależnie od metody przechwytywania ruchu. Osiąga się to dzięki kolejnemu poziomowi kodowania, który pobiera nieprzetworzone impulsy i przekłada je na protokół transmisji.

Na wybór protokołu i sposób jego działania wpływa połączenie fizyczne. Ogólnie protokół będzie albo synchroniczny, co oznacza, że używa sygnału zegara, albo asynchroniczny (brak sygnału zegara). Ponadto połączenie fizyczne może być jednostronne lub, w celu zapewnienia dodatkowej odporności, różnicowe. Ta kombinacja daje cztery możliwe alternatywy, a najpopularniejszymi protokołami, które je obsługują, są szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych czy też SPI (jednostronny, synchroniczny), RS-485, znany również jako TIA/EIA-485 (różnicowy, asynchroniczny) i interfejs szeregowy synchroniczny czy też SSI (różnicowy, synchroniczny).

Protokoły dobiera się z uwzględnieniem wielu czynników. Z jednej strony zapewniają one pewien poziom współpracy, ale także zwiększają odporność kanału komunikacyjnego, szczególnie w zastosowaniach powodujących zakłócenia elektryczne, takich jak sterowanie silnikami przemysłowymi. Ale tutaj rodzi się pytanie, który protokół jest najlepszy dla danego zastosowania. Na szczęście w serii AMT znajdują się modele, które obsługują wszystkie trzy wymienione powyżej protokoły. Dlatego warto przyjrzeć się każdemu z nich nieco bliżej, aby w pełni zrozumieć ich unikalne cechy i ułatwić sobie proces doboru.

Magistrala SPI

Jednym z połączeń na magistrali synchronicznej szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych jest dedykowany sygnał zegara (SCLK). Dzięki dedykowanym połączeniom dla urządzenia nadrzędnego i podrzędnego protokół ten obsługuje również pracę w trybie pełnego dupleksu. Ponieważ każdorazowo wymiana danych jest koordynowana przez sygnał zegara, urządzenie nadrzędne i podrzędne mogą komunikować się bez konieczności uprzedniego negocjowania parametrów, takich jak szybkość transmisji lub długość komunikatu. Każde urządzenie podrzędne jest wyposażone we wtyk wyboru układu (chip select) (ilustracja 1), który pozwala urządzeniu nadrzędnemu kontrolować, z którym urządzeniem komunikuje się w danym momencie.

Na przykład w serii AMT22 znajduje się enkoder SPI, który można skonfigurować do pracy z sygnałem zegara 2MHz. Oznacza to, że gdy urządzenie nadrzędne tego zażąda, enkoder może podać swoją aktualną pozycję w ciągu zaledwie 1500ns. Wykonanie oprzewodowania dla protokołu SPI jest również proste dzięki dedykowanym połączeniom MOSI (wyjście urządzenia nadrzędnego - wejście urządzenia podrzędnego) i MISO (wejście urządzenia nadrzędnego - wyjście urządzenia podrzędnego) na każdym urządzeniu. Wszystkie te połączenia są ze sobą połączone, jak pokazano na ilustracji 1, podczas gdy urządzenie nadrzędne ma dedykowane połączenia dla poszczególnych wtyków wyboru układu.

Ilustracja 1: protokół SPI wykorzystujący typowe połączenia dla zegara i danych, z dedykowanymi połączeniami do wyboru układu (źródło ilustracji: Same Sky)

Protokół SPI, będąc magistralą jednostronną, jest dobrze dostosowany do połączeń na stosunkowo krótkich odległościach około 1m lub mniej, jeśli używany jest szybki zegar. Aby zachować integralność sygnału, odległość tę można zwiększyć, jeśli prędkość zegara zostanie zmniejszona. To sprawia, że protokół SPI jest niezwykle uniwersalny i nadaje się do wielu zastosowań.

Magistrala RS-485

Jeśli sytuacja wymaga wykonania połączeń na odległości większe niż 1m lub jeśli w otoczeniu występuje znaczna ilość zakłóceń elektrycznych, lepszym rozwiązaniem może być magistrala różnicowa. Jest tak, ponieważ sygnał różnicowy jest z natury bardziej odporny niż sygnał jednostronny. Inną techniką, która może zwiększyć odporność, jest eliminacja potrzeby czystego sygnału zegarowego na magistrali. W tym przypadku właściwym wyborem może być magistrala RS-485 z powiązanym protokołem.

W interfejsie RS-485 wykorzystuje się okablowanie w formie skrętki dwużyłowej. Ponieważ ma on charakter różnicowy, wymaga odpowiednich zakończeń na każdym końcu kabla. Ale ponieważ jest asynchroniczny, nie ma dedykowanego sygnału zegara na magistrali, więc potrzebuje tylko dwóch żył (ilustracja 2) i może osiągnąć prędkość transmisji danych 10Mbit/s, a nawet wyższą. Magistrala ta obsługuje wiele połączeń, ale każde musi być zakończone i dopasowane impedancyjnie do kabla. Aby utrzymać parametry działania, każde urządzenie powinno być podłączone do magistrali przy użyciu możliwie najkrótszego kabla.

W serii AMT21 wykorzystano magistralę/protokół RS-485, która wymaga tylko dwóch połączeń dla skrętki dwużyłowej i dwóch dodatkowych do zasilania. Ponieważ protokół ten jest asynchroniczny, wszystkie urządzenia muszą posiadać informacje o sposobie konfiguracji protokołu. Domyślnie enkodery serii AMT21 używają konfiguracji 8N1, co oznacza 8 bitów danych, brak parzystości i 1 bit stopu. W tej konfiguracji sześć najbardziej znaczących bitów jest używanych jako adres, co oznacza, że jedno połączenie może obsługiwać do 64 indywidualnie adresowanych urządzeń. Dla instrukcji wykorzystywane są dwa najmniej znaczące bity. Po otrzymaniu instrukcji podania pozycji enkoder serii AMT21 jest w stanie odpowiedzieć w ciągu trzech mikrosekund. Występują również instrukcje resetowania enkodera i ustawiania pozycji zerowej.

Ilustracja 2: protokół RS-485, który obsługuje wiele urządzeń na jednej skrętce dwużyłowej (źródło ilustracji: Same Sky)

Magistrala SSI

W standardowej konfiguracji magistrala SSI może być postrzegana jako rozszerzenie magistrali RS-485 poprzez dodanie pary różnicowej, która przenosi sygnał zegara obok pary różnicowej danych. Oznacza to, że standardowy interfejs SSI wykorzystuje dwie pary różnicowe lub cztery połączenia dla zegara i danych. Firma Same Sky opracowała wariant tego wykonania, usuwając aspekt różnicowy, ale dodając wtyk wyboru układu. Skutkuje to zmniejszeniem liczby wtyków z czterech do trzech na jedno połączenie, przy jednoczesnym zwiększeniu funkcjonalności przez dodanie dedykowanego wtyku wyboru układu (ilustracja 3).

Ten wariant jest kompatybilny z kontrolerami SSI, które obsługują funkcję wyboru układu i zapewnia wydajność na poziomie podobnym do SPI. Tego wariantu SSI używa enkoder serii AMT23 firmy Same Sky, który można skonfigurować jak przedstawiono na ilustracji 3.

Ilustracja 3: ten wariant SSI wymaga mniejszej liczby przewodów, ale obsługuje funkcje wyboru układu (źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Zakres zastosowania automatyki wciąż rośnie. Enkodery absolutne, przeznaczone do montażu na silnikach elektrycznych, zapewniają większą kontrolę w automatyce. Technologia kodowania pojemnościowego opracowana przez firmę Same Sky i dostępna w enkoderze serii AMT wykorzystuje trzy protokoły komunikacyjne, z których każdy ma inne cechy i zalety. Daje to inżynierom większą swobodę projektowania przy wyborze technologii najlepszej do konkretnego zastosowania.