实时-R系列V传感器SSI信号的数据采集和传输(上)

　　Temposonics R系列V是一款具有强大功能的传感器，可满足你应用的多种需求。该系列传感器支持宽电压范围供电，耐高冲击和振动，可支持Analog、 EtherCAT®、SSI、PROFINET、POWERLINK、EtherNet/IP™等各种信号输出。

　　本文介绍的SSI输出(同步串行接口)传感器，可输出非常稳定的位置信号，最小分辨率高达0.1μm，最小测量周期时间为100μs，数据刷新频率高达10 kHz。

　　对于SSI输出传感器，用户可以选择异步或三种同步模式来进行测量数据并将其传输到控制器。在解释这几种不同的模式之前，首先需要解释以下两点：

　　什么是SSI?

　　SSI是同步串行接口的缩写。该数字接口由Max Stegmann GmbH公司于1985年推出，受益于它的稳定性以及相对简单的接口电路，在工业场合关于绝对值的测量和传输中得到了广泛的应用。在传感器内，以R系列V SSI传感器为例，为了将数据传输到控制器，需要移位寄存器和单稳态触发器共同作用，其中单稳态触发器用于控制移位寄存器。

　　如SSI名称，顾名思义，该接口逐位逐位地传输串行数据。数据传输也可以同步到控制器定义的时钟脉冲。

　　SSI是如何工作的?

　　在SSI中，数据以串行方式传输，控制器据此指定轮询的时间。在数据传输过程中，主要进行的流程如下(图1):

　图1:数据长度为n位的SSI数据传输的时序图

　　1、在空闲状态下，当前没有数据传输时，数据位和时钟位都处于高电平状态。

　　2、在第一个时钟脉冲的下降沿触发时，当前位置数据被冻结在移位寄存器中。意味着在当前数据传送周期完成前，位置数据将不会得到更新。

　　3、从接下来的时钟上升沿开始，第一位数据开始被请求。

　　4、从下一个下降沿开始，数据从最高位(MSB)开始传输。

　　5、后续重复此操作，直到传输最后一个数据位(LSB)。

　　6、标准单稳态时间始于最后一个时钟脉冲的下降沿。LSB传输完成后，数据位保持在低电平，时钟位保持在高电平，直到标准单稳态时间结束。然后传感器就可以传输新的数据了。

　　对于R系列V SSI传感器，传感器电子仓内的温度参数可以连同位置数据一起被发送。根据图2中的传输图，这些数据是通过串行传输方式一个接一个传输的。首先传输8位温度数据，然后传输24位位置数据，则数据总长度为32位。如果在传输位置数据的同时还传输报警位和奇偶校验位，则在传输24位位置数据之后再传输报警位和奇偶校验位。

图2:不同数据长度的R系列V SSI传感器的SSI传输报文结构，附带报警位(A位)和奇偶位(P位)

　　解释完了以上两点，让我们进入正题吧。由于文章篇幅有限，我们将分上下篇来介绍，本期将先介绍异步及同步模式1这两种模式。

　　SSI—异步数据传输模式

　　在异步模式下，传感器内的位置数据会在传感器的测量周期允许的范围内以最快的速度更新，与控制器的询问周期无关。控制器只决定何时通过SSI接口请求当前提供的数据。如图3所示，传感器进行测量的频率高于控制器询问的频率。在异步模式下，开始测量和传输位置数据之间的时间延迟(也称为时滞)是变化的。

图3: R系列V SSI传感器的异步模式示意图

　　SSI—同步数据传输模式

　　在同步模式下，传感器的位置测量以及位置值的传输周期会自适应控制器的数据轮询周期。这意味着传感器的测量周期与控制器的轮询周期同步，并决定何时控制器会请求位置值。R系列V SSI可提供三种同步数据采集和传输的模式:

　　● 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，传感器适应控制器的轮询周期，然后开始测量，以便在控制器的下一个询问之前及时完成测量。从而传输最新的测量值(图4)。

图4:R系列V SSI的同步模式1示意图

　　从上述图4中可以看出，测量开始和位置值传输之间的延时是恒定的。在异步测量中，时滞的变化范围很大。恒定的时滞可实现实时的精确位置测量，这也是运动控制应用场合的重要要求。在同步模式下时滞能够被最小化(图5)。

图5:异步和同步模式下的时滞比较

　　什么是“抖动窗口”参数?

　　控制器给定的轮询周期可能会产生变化。这种轮询周期的不准确性称为抖动时间。如果发生这种情况，传感器无法在同步模式下与控制器的轮询周期同步，并通过led报错“同步状态错误”。解决的办法是调整抖动窗口的参数。该参数可通过TempoLink®智能助手对R系列V SSI进行设置。抖动窗口是指从测量结束到控制器下一个数据请求之间的时间。这个时间的单位是μs。一个轮询周期的抖动窗口如图4所示。抖动窗口越大，传感器越早开始下一个位置测量，以便能够在下一个轮询周期之前及时提供当前的位置值。这时当轮询周期不准确时，控制器的数据请求比预期的更早收到，传感器的位置测量也会因为抖动窗口足够大而已经完成。但是，增加这个参数会增加传感器的测量周期。因此，抖动窗口的值必须谨慎选择，以便在轮询周期的抖动时间和传感器的测量周期之间选择一个合适的比例。

（文章来源：Temposonics传感器）