Na co zwrócić uwagę przy wyborze interfejsu czujnika ELGO Electronic?
Przy doborze sprzętu i projektowaniu aplikacji o wysokiej dynamice należy uwzględnić wiele szczegółów technicznych. Kluczowym elementem jest sposób przesyłania informacji o położeniu z czujników do nadrzędnego systemu sterowania lub regulatora napędu. Ze względu na dużą liczbę dostępnych interfejsów komunikacyjnych warto poznać ich charakterystykę oraz różnice.
Różnica w stosunku do interfejsów magistrali polowej
Wielu producentów oferuje czujniki wyposażone w popularne magistrale przemysłowe. Bez wątpienia są one odpowiednim rozwiązaniem dla wielu zastosowań. Jednak wraz ze wzrostem wymagań dotyczących dynamiki pracy systemu pojawiają się ich ograniczenia. Dlatego w dalszej części skupiono się na klasycznych, otwartych i niezastrzeżonych interfejsach czujników:
- SSI,
- BiSS-C,
- IO-Link,
- CAN,
- A/B/Z (stosowany w enkoderach inkrementalnych).
Dobór odpowiedniego interfejsu zależy przede wszystkim od aplikacji i jej wymagań.
Porównanie najpopularniejszych interfejsów
SSI (Synchronous Serial Interface) jest jednym z najprostszych interfejsów stosowanych w enkoderach absolutnych.
W czujniku znajduje się rejestr przesuwny, do którego równolegle zapisywane są dane pomiarowe. Sterownik nadrzędny generuje sygnał zegarowy (CLK). Po wykryciu pierwszego opadającego zbocza rejestr przełącza się z trybu równoległego na szeregowy, a każde kolejne narastające zbocze powoduje przesłanie jednego bitu danych. Pomiędzy kolejnymi telegramami wymagana jest przerwa tp wynosząca co najmniej 21 µs.
Ponieważ SSI wykorzystuje fizyczną warstwę RS-422, transmisja różnicowa zapewnia wysoką odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Sam standard SSI nie definiuje mechanizmów zabezpieczających transmisji, jednak producent może dodać własne bity kontrolne, np. bit parzystości, a także stosować kontrolę zgodności kolejnych odczytów.
BiSS-C jest otwartym standardem opracowanym przez firmę IC-Haus i stanowi rozwinięcie interfejsu SSI. Podobnie jak SSI wykorzystuje fizyczną warstwę RS-422, jednak oferuje dodatkowo:
- dwukierunkową komunikację,
- bit błędu,
- bit ostrzeżenia,
- kontrolę CRC.
Dzięki tym funkcjom BiSS-C szybko zdobył dużą popularność w nowoczesnych systemach pomiarowych.
IO-Link jest otwartym, znormalizowanym standardem komunikacji. W ostatnich latach zyskał popularność szczególnie w zastosowaniach z czujnikami binarnymi.
Każdy cykl komunikacyjny rozpoczyna się od zapytania wysłanego przez urządzenie nadrzędne (Master). Między zapytaniem a odpowiedzią urządzenia może wystąpić opóźnienie do 10 × TBit, gdzie TBit oznacza czas transmisji jednego bitu. Przy maksymalnej prędkości 230,4 kbit/s odpowiada to około 4,3 µs na bit.
Telegramy IO-Link są zbudowane z ramek UART zawierających:
- bit startu,
- 8 bitów danych,
- bit parzystości,
- bit stopu.
Zapytanie mastera zawiera co najmniej polecenie (CMD-UART) oraz bajt kontrolny (CKT-UART), natomiast odpowiedź urządzenia może zawierać do 32 bajtów danych procesowych (PD-UART) zakończonych bajtem kontrolnym (CKS-UART).
CAN jest w tym zestawieniu jedyną magistralą wielomasterową. Dzięki temu nie są wymagane procedury handshake, ani dodatkowe czasy oczekiwania charakterystyczne dla innych interfejsów. Z drugiej strony telegram CAN zawiera znacznie więcej bitów kontrolnych niż SSI. Jednak przy maksymalnej prędkości 1 Mbit/s czas transmisji przykładowej wartości położenia wynosi około 79 µs.
Podobnie jak SSI, CAN wykorzystuje transmisję różnicową, dzięki czemu charakteryzuje się wysoką odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne.
Interfejs A/B/Z można uznać za najbardziej podstawowy spośród omawianych rozwiązań. W przeciwieństwie do transmisji szeregowej dane nie są przesyłane w postaci telegramów, lecz równolegle trzema sygnałami.
Większa liczba przewodów stanowi pewną wadę, jednak przy niewielkich odległościach jest ona często akceptowana. W zamian praktycznie eliminuje się czas transmisji charakterystyczny dla komunikacji szeregowej – sygnały są przekazywane z prędkością propagacji w przewodzie.
Podobnie jak w przypadku SSI mechanizmy kontroli poprawności danych muszą zostać zaimplementowane po stronie użytkownika. Różnicowa transmisja sygnałów zapewnia również dobrą odporność na zakłócenia elektromagnetyczne.
Każdy z opisanych interfejsów znajduje zastosowanie w systemach wymagających szybkiej i precyzyjnej transmisji danych pomiarowych. Ostateczny wybór zależy przede wszystkim od wymagań konkretnej aplikacji, takich jak wymagana dynamika, czas reakcji, odporność na zakłócenia czy sposób integracji z systemem sterowania.
Przedstawione w artykule czasy transmisji dla danych o rozdzielczości 26 bitów są wartościami orientacyjnymi, obliczonymi przy założeniu idealnych warunków pracy. W rzeczywistych instalacjach uzyskiwane wyniki mogą się różnić.
Interfejsy w czujnikach ELGO Electronic
Elgo Electronic oferuje szeroką gamę czujników do pomiaru położenia i kąta współpracujących ze wszystkimi opisanymi interfejsami. Do najnowszych rozwiązań należą:
- CMAX2 – absolutny czujnik położenia o wysokiej rozdzielczości wyposażony jednocześnie w interfejsy SSI, BiSS-C oraz A/B/Z. Umożliwia pomiary przy prędkościach ruchu dochodzących do 15 m/s.
- CMIX3 – najnowszy inkrementalny czujnik firmy ELGO oferujący rozdzielczość nawet 16 nm oraz możliwość pracy przy prędkościach dochodzących do 100 m/s, stanowiąc nowoczesną alternatywę dla wielu innych technologii pomiarowych.
Oba rozwiązania potwierdzają wieloletnie doświadczenie firmy ELGO Electronic w dziedzinie magnetycznych systemów pomiarowych i stanowią wydajne rozwiązania zarówno dla pomiarów absolutnych, jak i inkrementalnych.
