{"id":6993,"date":"2018-11-19T09:59:09","date_gmt":"2018-11-19T09:59:09","guid":{"rendered":"https:\/\/servotecnica.com\/ssi-meisterkurs-fuer-ingenieure-zur-auswahl-eines-positionssensors\/"},"modified":"2023-05-01T17:10:47","modified_gmt":"2023-05-01T17:10:47","slug":"ssi-meisterkurs-fuer-ingenieure-zur-auswahl-eines-positionssensors","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/servotecnica.com\/de\/ssi-meisterkurs-fuer-ingenieure-zur-auswahl-eines-positionssensors\/","title":{"rendered":"SSI – Meisterkurs f\u00fcr Ingenieure zur Auswahl eines Positionssensors"},"content":{"rendered":"\n

Dieses Papier beschreibt die synchrone serielle Schnittstelle (SSI), die in vielen Positionssensoren und -reglern verwendet wird. Es richtet sich an Elektro- und Maschinenbauingenieure, die Positionserfassungssysteme entwickeln und verstehen m\u00f6chten, wie die SSI-Schnittstelle funktioniert und wie man ihre Vorteile bewertet, ohne zu sehr ins Detail zu gehen.<\/p>\n\n

Einf\u00fchrung<\/h2>\n\n

Sensoren, die lineare oder winklige Positionen messen, lassen sich in zwei Gruppen einteilen: inkrementale und absolute. Die Frage “Was passiert, wenn Sie ihn einschalten?” ist ein guter Anhaltspunkt, um festzustellen, zu welcher Gruppe ein Sensor geh\u00f6rt. Wenn der Sensor einen Kalibrierungsschritt durchf\u00fchren muss, um seine Position zu finden, ist er inkrementell, ansonsten ist er absolut. Die meisten technischen Spezifikationen enthalten immer noch inkrementelle Positionssensoren, da absolute Sensoren als zu teuer angesehen werden. Heutzutage kosten absolute Sensoren jedoch nicht mehr so viel mehr. Da die Benutzer von Automatisierungsger\u00e4ten und -systemen nicht mehr bereit sind, lange Anlaufzeiten in Kauf zu nehmen, steigt die Zahl der absoluten Sensoren.<\/p>\n\n

In den 1980er und 1990er Jahren erzeugten viele absolute Positionssensoren einen parallelen Ausgang. Die Einsen und Nullen eines Bin\u00e4rwerts oder Gray-Codes wurden durch mehrere Dr\u00e4hte (oft ein Flachbandkabel) mit einem hohen oder niedrigen Logikpegel dargestellt. Dieser Ansatz ist wegen seiner relativ hohen Kosten, Gr\u00f6\u00dfe, Komplexit\u00e4t und Zuverl\u00e4ssigkeit, insbesondere bei Pr\u00e4zisionssensoren, nicht mehr gefragt. Ein Sensor mit einem parallelen 20-Bit-Ausgang w\u00fcrde mindestens 20 separate Signaldr\u00e4hte erfordern. W\u00e4hrend dies bei einem einzelnen Sensor kein gro\u00dfes Problem darstellt, wird diese Konfiguration z. B. bei einem Roboter mit zahlreichen Sensoren, Motoren und Stromleitungen zu einem Albtraum.<\/p>\n\n

Allgemeine Elemente der SSI-Schnittstelle<\/h2>\n\n

Die SSI basiert auf dem weit verbreiteten Hardware-Standard RS-422. In dieser Norm werden die elektrischen Eigenschaften von Signalisierungsschaltungen spezifiziert, die sich auf die Definition von Signalpegeln beschr\u00e4nken. Mit anderen Worten, die grundlegende Hardware ist definiert, w\u00e4hrend andere Spezifikationen, wie z. B. elektrische Anschl\u00fcsse, Stifte und Verdrahtung, vom Entwickler frei gew\u00e4hlt werden k\u00f6nnen. Die von der SSI-Schnittstelle verwendeten RS-422-Schaltkreise erm\u00f6glichen eine zuverl\u00e4ssige und schnelle Daten\u00fcbertragung \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen und in ger\u00e4uschvollen Umgebungen, ohne dass sperrige Elektronik, Kabel und Steckverbinder erforderlich sind. Durch symmetrische oder differentielle Signalisierung k\u00f6nnen hohe Datenraten und gro\u00dfe Entfernungen erreicht werden. Differenziell bedeutet, dass, wenn eine Leitung auf dem hohen Pegel ist, die andere auf dem niedrigen Pegel ist, und umgekehrt.<\/p>\n

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Abb. 1 – Vereinfachtes RS-422-Diagramm.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n

SSI kann beschrieben werden als … tief durchatmen … ein serieller synchroner Ende-zu-Ende-Kommunikationskanal f\u00fcr die digitale Daten\u00fcbertragung. Puh. “Ende-zu-Ende” ist kein komplexes Bus- oder Netzwerksystem mit mehreren Knotenpunkten. “Synchron” bedeutet, dass ein Taktsignal die Daten\u00fcbertragung synchronisiert. “Seriell” bedeutet, dass es sich nicht um eine parallele \u00dcbertragung handelt; daher werden mehrere Datenbits auf derselben Leitung gesendet. Die Daten\u00fcbertragung erfolgt zwischen einem “Master” (in der Regel eine Steuerung), der das Taktsignal sendet, und einem “Slave” (in der Regel ein absoluter Positionssensor), der die Daten oder Werte erzeugt.<\/p>\n\n

RS-422 verwendet Nominalsignalpegel von 0 bis 5 V und in der Regel ein Kabel, das aus zwei S\u00e4tzen verdrillter Paare (eines f\u00fcr Daten- und eines f\u00fcr Taktsignale) und einer Erdungsleitung besteht, wie in Abbildung 1 dargestellt. W\u00e4hrend ein Kabel mit zwei Paaren in vielen RS-422-Anwendungen eine praktische L\u00f6sung sein kann, definiert die Spezifikation nur den Signalweg, ohne eine Funktion zuzuweisen. Die meisten SSI-Kabel verwenden verdrillte Paare mit einer Metallfolie oder einem Metallgeflecht, das als elektromagnetische Abschirmung auf jedem Paar und\/oder dem gesamten B\u00fcndel unter dem allgemeinen Kabelmantel dient.<\/p>\n\n

Bei SSI sind f\u00fcr Daten- und Takt\u00fcbertragungen \u00fcber Kabell\u00e4ngen von etwa 20 m in der Regel keine besonderen Vorkehrungen erforderlich. Entfernungen von 20 m gen\u00fcgen den Anforderungen der meisten Positionssensoranwendungen. Bei Kabell\u00e4ngen von mehr als 20 m sollten die Kabell\u00e4ngen zwischen dem Positionssensor und dem Controller auf ein Minimum reduziert werden. W\u00e4hrend bei Kabell\u00e4ngen von 10 oder 20 m (24 AWG) hohe Datenraten von ca. 10 Mbit\/Sekunde problemlos erreicht werden k\u00f6nnen, ist es bei L\u00e4ngen \u00fcber 20 m notwendig, die Sensordatenraten zu reduzieren, wie in Abbildung 2 dargestellt.<\/p>\n

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Abb. 2 – Richtlinien f\u00fcr SSI-Kabell\u00e4nge und relative Baudrate.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n

Die obigen Daten basieren auf 24 AWG-Dr\u00e4hten; die Kabell\u00e4ngen k\u00f6nnen bei 22 oder 20 AWG-Querschnitten l\u00e4nger sein. Die maximale Kabell\u00e4nge h\u00e4ngt von der tolerierbaren Signalverzerrung, den lokalen elektromagnetischen St\u00f6rpegeln und den Erdpotentialdifferenzen zwischen den Kabelenden ab.<\/p>\n\n

Die technischen Merkmale der SSI im Vergleich zu anderen Schnittstellen sind:<\/p>\n\n

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  • Niedrige Kosten durch:\n
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    • Reduced number of electronic components<\/li>\n\n\n\n
    • nur 4 Dr\u00e4hte<\/li>\n\n\n\n
    • Slaves oder Sensoren, die den Takt des Masters verwenden und keine Pr\u00e4zisionsoszillatoren ben\u00f6tigen<\/li>\n\n\n\n
    • die breite Verf\u00fcgbarkeit von Steckern und Kabeln<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n\n\n\n
    • Sichere Datenausgabe mit der F\u00e4higkeit, Fehler zu erkennen und Parit\u00e4t zu melden<\/li>\n\n\n\n
    • Unempfindlichkeit gegen\u00fcber elektromagnetischen St\u00f6rungen<\/li>\n\n\n\n
    • M\u00f6glichkeit der Verwendung von Kabeln mit betr\u00e4chtlichen L\u00e4ngen bis hin zu Tausenden von Metern<\/li>\n\n\n\n
    • einfache elektrische Isolierung zwischen Sensor und Host<\/li>\n\n\n\n
    • Die Daten\u00fcbertragung wird mit einem Taktsignal synchronisiert.<\/li>\n\n\n\n
    • hohe Baudraten bis zu 10 Mbit\/Sekunde<\/li>\n\n\n\n
    • eine bestimmte Nachrichtengr\u00f6\u00dfe schr\u00e4nkt die Flexibilit\u00e4t nicht ein – die Anzahl der Bits in einer Nachricht<\/li>\n\n\n\n
    • M\u00f6glichkeit, mehrere Slaves an eine Standarduhr anzuschlie\u00dfen.<\/li>\n<\/ul>\n\n

      Manchmal werden Ingenieure zwischen SSI, RS-422 und RS-485 verwirrt. SSI ist die serielle Kommunikationsmethode, die RS-422-Hardware-Standards verwendet. RS-485 ist ein komplexeres Mehrknotensystem oder ein Bus. Mit RS-422 kann kein echtes Mehrpunkt-Kommunikationsnetzwerk implementiert werden, da es in jedem Leitungspaar nur einen Treiber geben kann; trotzdem k\u00f6nnen mehrere Sensoren das gleiche Taktsignal verwenden.<\/p>\n\n

      SSI-Takt- und Daten\u00fcbertragung<\/h2>\n\n

      Der Master (oder Controller) steuert die Taktsignale, und der Slave (Positionssensor) \u00fcbertr\u00e4gt die Daten oder Werte. Wenn der Master die Daten abruft, werden sie vom Slave im Takt ausgegeben und normalerweise in einem Schieberegister gespeichert. Der Taktgeber synchronisiert Master und Slave. Die Daten werden mit symmetrischen oder differentiellen Signalen \u00fcbertragen. Das bedeutet, dass die CLOCK- und DATA-Leitungen paarweise verdrillt sind. Die Taktfolge wird vom Master eingeleitet, wenn Daten oder Werte ben\u00f6tigt werden. Es k\u00f6nnen verschiedene Taktfrequenzen von 100 kHz bis 2 MHz verwendet werden, und die Anzahl der Takte h\u00e4ngt davon ab, wie viele Datenbits \u00fcbertragen werden m\u00fcssen. Das Daten\u00fcbertragungsprotokoll basiert auf drei verschiedenen aufeinander folgenden Teilen (“1\u2033 Start -> Datenbits -> “0” Ende). Dadurch wird die Zuverl\u00e4ssigkeit und Sicherheit der Daten\u00fcbertragung ohne Hardware- und Softwarefehler erreicht.<\/p>\n\n

      Die SSI befindet sich zun\u00e4chst im Idle-Modus, in dem die CLOCK- und DATA-Leitungen auf High-Pegel bleiben und der Slave seine Daten weiter aktualisiert. Indem die CLOCK- und DATA-Ausg\u00e4nge im Idle-Modus auf einem hohen Pegel gehalten werden, k\u00f6nnen durch Drahtbr\u00fcche verursachte Kontakte erkannt werden.<\/p>\n\n

      Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, beginnt mit der ersten fallenden Flanke nach der Zeit Tmu der Lesezyklus und die Daten\u00fcbertragung. Jede steigende Flanke des CLOCK \u00fcbertr\u00e4gt das n\u00e4chste Datenbit der Nachricht, beginnend mit Dn-1. Nach der letzten steigenden Flanke der Taktsequenz wird die Datenleitung f\u00fcr den Zeitraum Tmu – 0,5xt durch das Fehlerflag (falls unterst\u00fctzt) gesetzt. Am Ende von Tmu stehen die letzten Positionsdaten f\u00fcr die \u00dcbertragung im n\u00e4chsten Lesezyklus zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n

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      Abb. 3 – Zeitdiagramm der SSI.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n
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      • T: eine Periode des Taktes (1\/T = von 100 kHz bis 2 MHz)<\/li>\n\n\n\n
      • Trc: Lesezykluszeit. Sie ist definiert als (n x T) + (0,5 x T)<\/li>\n\n\n\n
      • Tmu: Aktualisierungszeit der Nachricht. Das Zeitintervall zwischen der letzten fallenden Flanke des Taktgebers und dem Zeitpunkt, zu dem neue Daten zur \u00dcbertragung bereit sind.<\/li>\n\n\n\n
      • Timg: Zeit zwischen den Meldungen. Muss >Tmu sein, sonst sind die Positionsdaten unbestimmt<\/li>\n\n\n\n
      • n: Anzahl der Bits in der Nachricht (Fehlerkennzeichen nicht eingeschlossen).<\/li>\n<\/ul>\n\n

        Nach n CLOCK-Impulsen (steigenden Flanken) wird der Datenwert \u00fcbertragen. Mit dem n\u00e4chsten CLOCK-Impuls (n+1 steigende Flanke) geht der Sensorausgang auf Low. Die Schnittstelle wird kurzgeschlossen, wenn sie auch nach n+1 steigenden Flanken auf High-Pegel ist.<\/p>\n\n

        Durch den Anschluss an eine gemeinsame Uhr k\u00f6nnen die Messwerte von mehreren Slaves (bis zu drei) gleichzeitig erfasst werden. Um Masseschleifen zu vermeiden und den Slave elektrisch zu isolieren, ist eine vollst\u00e4ndige galvanische Trennung durch Optokoppler erforderlich.<\/p>\n\n

        Eine Mehrfach\u00fcbertragung derselben Daten vom Positionssensor erfolgt nur bei kontinuierlichen Takten, auch nach \u00dcbertragung des niederwertigsten Bits. Die Anfangssequenzen sind die gleichen wie bei der Einfach\u00fcbertragung. Im Ruhezustand sind die Leitungen CLOCK und DATA high. Wenn die erste fallende Flanke eintrifft, wird der \u00dcbertragungsmodus eingeleitet. Die Datenbits werden in gleicher Weise der Reihe nach \u00fcbertragen, beginnend mit dem h\u00f6chstwertigen Bit bei jeder steigenden Flanke des CLOCKs. Die \u00dcbertragung des niederwertigsten Bits zeigt an, dass alle Daten \u00fcbertragen worden sind. Eine weitere steigende Flanke bringt die Datenleitung auf einen Low-Pegel, was das Ende der Daten\u00fcbertragung anzeigt.<\/p>\n\n

        Angenommen, es liegen auch nach dem Ende der \u00dcbertragung noch kontinuierliche Takte vor (d. h. wenn innerhalb der Zeit tw [< tm] weitere Takte eintreffen), wird der Wert des Slave nicht aktualisiert. Dies liegt daran, dass der monostabile Ausgang noch instabil ist und sich der Wert im Schieberegister nicht ge\u00e4ndert hat. Daher wird bei der n\u00e4chsten steigenden Flanke, d.h. nach der steigenden Flanke (n+1), die \u00dcbertragung der gleichen Daten fortgesetzt, und das MSB der zuvor \u00fcbertragenen Daten wird erneut \u00fcbertragen. Dann wird das gleiche Verfahren wie bei den vorherigen \u00dcbertragungen angewandt, so dass dieselben Daten mehrfach \u00fcbertragen werden. Der Slave-Wert wird nur dann aktualisiert, wenn die Zeit zwischen zwei Taktimpulsen l\u00e4nger ist als der \u00dcbertragungs-Timeout. Mehrere \u00dcbertragungen k\u00f6nnen zur \u00dcberpr\u00fcfung der Datenintegrit\u00e4t verwendet werden. Die beiden nacheinander empfangenen Werte werden verglichen, und etwaige Unterschiede deuten auf \u00dcbertragungsfehler hin. Der Master steuert die Daten\u00fcbertragung und kann jederzeit unterbrochen werden, indem er einfach die Taktfolge f\u00fcr einen Zeitraum unterbricht, der l\u00e4nger als die Timeout-Zeit ist. Der Slave erkennt automatisch den \u00dcbertragungs-Timeout und geht in den Idle-Modus.<\/p>\n\n

        Einige Hersteller von Positionssensoren haben dem grundlegenden SSI-Protokoll zus\u00e4tzliche Informationen hinzugef\u00fcgt, um eine hohe Integrit\u00e4t der Daten\u00fcbertragung zu gew\u00e4hrleisten. Um die Sicherheit zu gew\u00e4hrleisten und das Ende der Daten\u00fcbertragung zu signalisieren, k\u00f6nnen CRC- oder Parit\u00e4tsbits hinzugef\u00fcgt werden, mit denen \u00fcberpr\u00fcft wird, ob die Daten vom Positionssensor korrekt empfangen und interpretiert wurden.<\/p>\n\n

        Sensoren, die die SSI-Schnittstelle verwenden<\/h2>\n\n

        Aufmerksamen Lesern ist vielleicht aufgefallen, dass in diesem Artikel der Begriff “Sensor” anstelle des gebr\u00e4uchlicheren “Encoder” verwendet wird. Dies ist eine bewusste Wahl, da Encoder oft, aber f\u00e4lschlicherweise, als optische Ger\u00e4te angesehen werden, die Daten in Abh\u00e4ngigkeit von einer gemessenen Position erzeugen. In den letzten Jahren ist eine neue Generation von ber\u00fchrungslosen (meist absoluten) Encodern aufgetaucht, die nicht optisch, sondern induktiv arbeiten (auch “Incoder” genannt). Diese Ger\u00e4te verwenden gedruckte Transformatoren anstelle der sperrigen und teuren Wicklungen, die in herk\u00f6mmlichen induktiven Positionssensoren wie Resolvern, LVDTs, RVDTs und Synchronisierern verwendet werden. Diese traditionellen Ger\u00e4te sind seit vielen Jahren die bevorzugte Wahl von Ingenieuren f\u00fcr verschiedene raue Umgebungen aufgrund ihrer Zuverl\u00e4ssigkeit, ihres hohen Sicherheitsgrades und ihrer ber\u00fchrungslosen Arbeitsweise. Incoder basieren auf den gleichen Prinzipien wie ihre traditionellen Gegenst\u00fccke und sind daher ebenso zuverl\u00e4ssig und robust, wie sie genauer und einfacher zu bedienen sind. Die Benutzerfreundlichkeit ergibt sich zum Teil aus der Verwendung der SSI-Schnittstelle als bevorzugte Kommunikationsart. In Anwendungen, in denen Sensoren mit hoher Zuverl\u00e4ssigkeit und Genauigkeit in der Medizin, der Industrie, der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungssektor ben\u00f6tigt werden, haben sie in durchkontaktierten und lagerlosen Versionen einen bedeutenden Marktanteil gewonnen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

        Dieses Papier beschreibt die synchrone serielle Schnittstelle (SSI), die in vielen Positionssensoren und -reglern verwendet wird. 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