Integration von Absolut-Drehgebern – Überblick über SPI, RS-485 und SSI-Protokolle

27. August 2019 Verfasst von Jason Kelly

Integration von Absolut-Drehgebern – Überblick über SPI, RS-485 und SSI-Protokolle

Das Streben nach mehr industrieller Produktivität, intelligenterem Leben und höherer Energieeffizienz führt zu mehr Möglichkeiten für elektrisch angetriebene autonome Mobilität, intelligenteres Leben und eine fortschrittliche Automatisierung. Encoder können bei diesen Anwendungen eine große Rolle spielen, da Motoren eine präzise Verfolgung von Position und Bewegung erfordern. Da es jedoch mehrere Encodertypen und Kommunikationsprotokolle auf dem Markt gibt, welche bieten aufgrund der unterschiedlichen Designanforderungen die meisten Vorteile?

Auswahl des richtigen Encoders

Je nach Anwendung muss eine Steuerung oder ein Antrieb mit variabler Drehzahl und Elektromotor möglicherweise eine beliebige Kombination aus Rotordrehzahl, Position und Richtung messen. Ein Drehcodierer ist für diesen Zweck das richtige Gerät. Er kann entweder ein inkrementeller sein, der die Position relativ zu einem Referenzpunkt angibt, oder ein Absolut-Drehgeber, der einen eindeutigen Code für jede Rotorposition ausdrückt. Obwohl beide Typen nach ähnlichen Prinzipien arbeiten, kann der Absolut-Drehgeber die Rotorposition ohne initialisiert zu werden ermitteln, sobald das System eingeschaltet wird, und kann die Position bei unerwartetem Stromausfall verfolgen.

Die Positionserfassung erfolgt üblicherweise entweder durch optische Erfassung – Zählen und Vergleichen von Markierungen an einem Coderad – oder durch elektrische Erfassung, die eine sich ändernde Kapazität erkennt, während sich das Coderad dreht. Die Auswahl eines kapazitiven Encoders, wie z. B. des CUI-Absolut-Drehgebers der AMT Serie, beseitigt optische Fehler, die durch Schmutz oder Fett auf dem Coderad oder durch falsche oder fehlerhafte Beleuchtung verursacht werden. Die patentierte kapazitive Technologie von CUI sorgt für hohe Zuverlässigkeit und geringen Wartungsaufwand.

Optionen für das Encoder-Kommunikationsprotokoll

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Frage, wie sich der Encoder mit dem Host-System und insbesondere mit der am besten geeigneten Kommunikationsschnittstelle verbindet. Lieferanten können Teile mit einer Vielzahl von Ausgängen anbieten, die von einfachen TTL-Ausgängen bis hin zu Industrial Ethernet oder proprietären Standards reichen. Bekannte Normen für serielle Schnittstellen gehören zu den beliebtesten und am weitesten verbreiteten RS-485 (auch bekannt als TIA/EIA-485), SPI (Serial Peripheral Interface) und SSI (Synchronous Serial Interface). Die Auswahl der Designer kann von der auf dem Hostsystem verfügbaren Schnittstelle abhängen sowie von Faktoren wie der Protokolllatenz, der maximalen Datenrate, der Verbindungsentfernung zwischen Encoder und Host und der erforderlichen Störfestigkeit.

Serial Peripheral Interface (SPI)

SPI unterstützt bidirektionale synchrone Interaktionen, die durch ein Taktsignal koordiniert werden. Die synchrone Kommunikation vereinfacht die Interaktion zwischen Master und Slave, da keine gemeinsame Datenrate oder Anzahl der zu übertragenden Bits festgelegt werden muss. Master-Out-Slave-In(MOSI)- und Master-In-Slave-Out(MISO)-Datenverbindungen ermöglichen eine Vollduplex-Kommunikation. Viele Host-Controller verfügen bereits über einen integrierten SPI-Port. Zusammen mit der Möglichkeit, die Datenrate anzupassen, ist SPI eine äußerst benutzerfreundliche Verbindung, die mit minimalem zusätzlichen Netzwerkaufwand implementiert werden kann.

Der Master fordert Daten von einem bestimmten Slave an, indem er das entsprechende Chipauswahlsignal aktiviert, und der Slave kann sofort antworten. Dies ermöglicht es einem SPI Encoder, wie der CUI AMT22 Serie, dem Host sehr schnell Positionsfeedback zu geben. Der AMT22 gibt die aktuelle Position beim Zugriff über die SPI-Verbindung an und kann angewiesen werden, den Nullpunkt zu setzen, oder er kann den Encoder mit erweiterten Befehlen zurücksetzen. Die maximale Taktgeschwindigkeit von 2 MHz ermöglicht das Verschieben von Daten in den Eingangspuffer, damit das Auslesen innerhalb von 1500 ns beginnt.

Zeichnung einer typischen SPI-Konfiguration mit gemeinsamem Taktsignal, MOSI und MISO und eindeutiger Chipauswahlleitung
Typische SPI-Konfiguration mit gemeinsamem Taktsignal, MOSI und MISO und eindeutiger Chipauswahlleitung

SPI-Verbindungen sind unsymmetrisch und eignen sich am besten für kurze Verbindungsstrecken unter einem Meter. Die Fähigkeit, die Datenrate dynamisch anzupassen, ermöglicht es dem Gerät jedoch, auch über größere Entfernungen bei niedrigeren Geschwindigkeiten zu arbeiten.

RS-485

Wenn der Encoder in großer Entfernung vom Host positioniert werden soll oder wenn in der Betriebsumgebung ein erhebliches elektrisches Rauschen auftritt, kann die differentielle RS-485 Signalisierung eine größere Immunität gegen Fehler oder Interferenzen bieten. RS-485 Kommunikation ist asynchron und erfordert daher kein Taktsignal. Ein dedizierter RS-485 Transceiver ist erforderlich und die Kommunikationsgeschwindigkeit kann je nach Entfernung bis zu 10 Mbit/s oder mehr betragen.

Der Datenaustausch erfolgt über ein Twisted-Pair-Kabel, das ordnungsgemäß mit einem Widerstand abgeschlossen werden muss, der der charakteristischen Impedanz des Kabels entspricht und normalerweise an jedem Ende des Kabels angebracht ist. An den seriellen Bus RS-485 können mehrere Encoder angeschlossen werden, idealerweise mit möglichst kurzen Verbindungen zwischen Kabel und Encoder.

Diagramm einer typischen RS-485 Konfiguration mit Host und mehreren Encodern
Typische RS-485 Konfiguration mit Host und mehreren Encodern

Der Encoder der CUI-Serie AMT21, der zum Anschluss an einen seriellen Bus RS-485 vorgesehen ist, wird über vier Pole bestehend aus Strom, Masse und den beiden Differentialanschlüssen angeschlossen. Das Standardprotokoll ist 8N1 (8 Datenbits, keine Parität, 1 Stoppbit), wobei die beiden unteren Bits den Befehl für den Encoder definieren und die verbleibenden Bits die Encoderadresse enthalten. Auf diese Weise können sich bis zu 64 Encoder den Bus teilen. Wenn die Steuerung eine Encoderadresse und einen Befehl zum Lesen der Positionsdaten (oder der Anzahl der Umdrehungen für einen Multiturn-Encoder) auf dem Bus eingibt, antwortet der Zielencoder innerhalb von drei Mikrosekunden. Es gibt auch zwei erweiterte Befehle zum Setzen der Nullposition und zum Zurücksetzen des Encoders.

Synchronous Serial Interface (SSI)

SSI ist in der Regel ein synchrones Simplex-Einweg-Master-Slave-Kommunikationsprotokoll, das differenzielle Signale verwendet und kein Chipauswahlsignal aufweist. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Verbindung zum Encoder mit dynamischer Geschwindigkeitsanpassung und profitiert gleichzeitig von der hohen Störfestigkeit einer Differentialverbindung.

Der Absolut-Drehgeber der CUI-Serie AMT23 implementiert eine Variante von SSI, mit der eine Ader eingespart werden kann. Hier werden eine einseitige Kommunikation und eine Chipauswahlverbindung verwendet, über die der Host einzelne Encoder auf dem Bus aktivieren kann. Im Gegensatz zu SPI sendet der Host keine Befehle. Der Encoder reagiert lediglich mit der Übertragung von Positionsdaten auf den Bus, wodurch die Schnittstelle zwischen Host und Encoder vereinfacht wird. Die SSI-Schnittstelle von CUI ist mit handelsüblichen SSI-Controllern mit Chipauswahl kompatibel. Typische Verbindungslängen und Rauschverhalten sind ähnlich wie bei SPI.

Zeichnung einer typischen 3-Draht-SSI-Konfiguration mit gemeinsam genutzten Takt- und Datenleitungen und einer eindeutigen Chipauswahlleitung
Typische 3-Draht-SSI-Konfiguration mit gemeinsam genutzten Takt- und Datenleitungen und einer eindeutigen Chipauswahlleitung

Fazit

Die Absolut-Drehgeber von CUI bieten Geräteentwicklern flexible Optionen, um den richtigen Encoder für ihre Anwendungen auszuwählen und die Verbindung zum Hostsystem zu vereinfachen. Die Differential-RS-485-Schnittstelle ist eine leistungsstarke Wahl, wenn lange Verbindungsdistanzen oder eine hohe Störfestigkeit erforderlich sind; gleichzeitig ist eine Hochgeschwindigkeitskommunikation möglich. SPI hingegen ist einfach zu implementieren, hat weniger Netzwerkanforderungen und wird von Haus aus von einer großen Anzahl handelsüblicher Universal-Mikrocontroller unterstützt. Die synchrone Kommunikation und die reduzierte Verkabelung von SSI machen SSI zu einer einfachen und kostengünstigen Option für Encoder mit dem zusätzlichen Vorteil der Störfestigkeit aufgrund der differentiellen Signalübertragung.

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Jason Kelly

Jason Kelly

Bewegungstechnik und Anwendungstechniker

Als Konstrukteur für CUI-AMT-Drehgeber und Bewegungssteuerungs-Produkte arbeitet Jason Kelly intensiv an neuen Drehgeber-Designs, einschließlich der Erstellung von Zubehör, Software-Schnittstellen und Kunden-Tools. Sein Schwerpunkt auf führendem Engineering-Design und maßgeblichen -Praktiken zeigt sich deutlich in den innovativen AMT-Drehgebern von CUI sowie bei der Unterstützung von Kunden auf diesem Gebiet. Wenn er nicht im Labor am Design arbeitet, ist Jason damit beschäftigt, sein Haus umzubauen, an seinem Truck zu tüfteln und die Geheimnisse der Natur des pazifischen Nordwestens mit seiner Frau und seiner Familie zu erforschen.

 
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