{"id":5432,"date":"2018-11-19T09:59:09","date_gmt":"2018-11-19T09:59:09","guid":{"rendered":"https:\/\/servotecnica.com\/ssi-master-class-per-gli-ingegneri-che-devono-scegliere-un-sensore-di-posizione\/"},"modified":"2023-05-01T16:55:58","modified_gmt":"2023-05-01T16:55:58","slug":"ssi-master-class-per-gli-ingegneri-che-devono-scegliere-un-sensore-di-posizione","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/servotecnica.com\/it\/ssi-master-class-per-gli-ingegneri-che-devono-scegliere-un-sensore-di-posizione\/","title":{"rendered":"SSI – Master class per gli ingegneri che devono scegliere un sensore di posizione"},"content":{"rendered":"\n

In questo documento si descrive l\u2019interfaccia seriale sincrona (SSI) usata in molti sensori e controller di posizione. \u00c8 destinato a ingegneri elettrici e meccanici che progettano sistemi di rilevamento della posizione e desiderano capire come funziona l\u2019interfaccia SSI e come valutarne i vantaggi senza scendere troppo nei dettagli.<\/p>\n\n

Introduzione<\/h2>\n\n

I sensori che misurano la posizione lineare o angolare possono essere suddivisi in due gruppi: incrementali e assoluti. La domanda \u201cCosa succede all\u2019accensione?\u201d \u00e8 un buon punto di riferimento per capire a quale gruppo appartiene un sensore. Se il sensore deve eseguire una fase di taratura per trovare la propria posizione significa che \u00e8 incrementale, altrimenti \u00e8 assoluto. Nella maggior parte delle specifiche degli ingegneri figurano ancora sensori di posizione incrementali, perch\u00e9 quelli assoluti sono considerati troppo costosi. Tuttavia, oggi i sensori assoluti non hanno pi\u00f9 un costo tanto superiore. Poich\u00e9 gli utilizzatori di apparecchiature e sistemi di automazione non sono pi\u00f9 disposti ad accettare tempi di avvio prolungati, il numero di sensori assoluti \u00e8 in aumento.<\/p>\n\n

Negli anni \u201980 e \u201990 molti sensori di posizione assoluti generavano un\u2019uscita parallela in cui gli uno e gli zeri di un valore binario o un codice Gray erano rappresentati da vari fili (spesso un cavo a nastro) con un livello logico alto o basso. Questo approccio \u00e8 scomparso a causa del costo relativamente alto, delle dimensioni, della complessit\u00e0 e dell\u2019affidabilit\u00e0, soprattutto nei sensori di precisione. Per un sensore con un\u2019uscita parallela a 20 bit sarebbero necessari almeno 20 fili di segnale separati. Pur non essendo un grosso problema nel caso di un singolo sensore, questa configurazione diventa un incubo ad esempio per un robot, dove sensori, motori e linee di alimentazione sono numerosi.<\/p>\n\n

Elementi generali sull\u2019interfaccia SSI<\/h2>\n\n

L\u2019SSI si basa sul diffuso standard hardware RS-422. In questo standard sono specificate le caratteristiche elettriche dei circuiti di segnalazione, limitatamente alla definizione dei livelli dei segnali. In altre parole, \u00e8 definito l\u2019hardware di base, mentre le altre specifiche, come i connettori elettrici, i pin e il cablaggio, possono essere scelte liberamente dal progettista. I circuiti RS-422 impiegati dall\u2019interfaccia SSI consentono di trasmettere i dati in modo affidabile e veloce su lunghe distanze e in ambienti rumorosi, senza dover ricorrere a componenti elettronici, cavi e connettori voluminosi. Mediante la segnalazione bilanciata o differenziale \u00e8 possibile raggiungere velocit\u00e0 dati elevate e lunghe distanze. Per differenziale si intende che quando una linea \u00e8 sul livello alto, l\u2019altra \u00e8 sul livello basso e viceversa.<\/p>\n

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Fig. 1<\/strong> – Schema semplificato dell\u2019RS-422.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n

L\u2019SSI pu\u00f2 essere descritta come \u2026 respiro profondo\u2026 un canale di comunicazione seriale sincrono da punto a punto per la trasmissione di dati digitali. Fiu! \u201cDa punto a punto\u201d significa essenzialmente che non si tratta di un bus o sistema di rete multinodo complesso. \u201cSincrono\u201d significa che la trasmissione dei dati \u00e8 sincronizzata mediante un segnale di clock. \u201cSeriale\u201d significa che non \u00e8 parallelo e quindi pi\u00f9 bit di dati vengono inviati sullo stesso filo. La trasmissione dei dati avviene tra un \u201cmaster\u201d (in genere un controller) che invia il segnale di clock e uno \u201cslave\u201d (solitamente un sensore di posizione assoluto) che genera il dato o valore.<\/p>\n\n

L\u2019RS-422 usa livelli di segnale nominali da 0 a 5 V e in genere un cavo costituito da due gruppi di doppini intrecciati (una coppia per i dati e una per i segnali di clock) e un filo di terra, come mostrato nella figura 1. Se un cavo con due coppie pu\u00f2 essere una soluzione pratica in molte applicazioni dell\u2019RS-422, la specifica definisce solo il percorso del segnale senza assegnare ad esso alcuna funzione. La maggior parte dei cavi SSI utilizza doppini intrecciati con una lamina metallica o una rete che funge da schermo elettromagnetico su ciascuna coppia e\/o su tutto il fascio, sotto la guaina generale del cavo.<\/p>\n\n

Di solito, con l\u2019SSI le trasmissioni di dati e clock su cavi di lunghezza intorno ai 20 m non richiedono particolari accorgimenti. Le distanze pari a 20 m rispondono alle esigenze della maggior parte delle applicazioni dei sensori di posizione. Con una lunghezza del cavo superiore a 20 m \u00e8 opportuno ridurre al minimo possibile le lunghezze dei cavi fra sensore di posizione e controller. Se con cavi di 10 o 20 m (da 24 AWG) si possono raggiungere senza difficolt\u00e0 velocit\u00e0 dati elevate di circa 10 Mbit\/secondo, per lunghezze superiori ai 20 m \u00e8 necessario ridurre le velocit\u00e0 dati dei sensori come illustrato nella figura 2.<\/p>\n

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Fig. 2<\/strong> – Linee guida per la lunghezza dei cavi SSI e il relativo baud rate.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n

I dati precedenti si basano su un filo da 24 AWG e le lunghezze dei cavi possono essere superiori in caso di sezioni pari a 22 o 20 AWG. La lunghezza massima del cavo dipende anche da distorsione tollerabile del segnale, livelli di rumore elettromagnetico locale e differenze di potenziale di terra fra le estremit\u00e0 del cavo stesso.<\/p>\n\n

Rispetto ad altre interfacce, le caratteristiche tecniche dell\u2019SSI sono:<\/p>\n\n

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  • costo contenuto grazie a:\n
      \n
    • numero ridotto di componenti elettronici<\/li>\n\n\n\n
    • solo 4 fili<\/li>\n\n\n\n
    • slave o sensori che utilizzano il clock del master e non necessitano di oscillatori di precisione<\/li>\n\n\n\n
    • ampia disponibilit\u00e0 di connettori e cavi<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n\n\n\n
    • uscita dati sicura con possibilit\u00e0 di rilevare gli errori e segnalare la parit\u00e0<\/li>\n\n\n\n
    • resilienza alle interferenze elettromagnetiche<\/li>\n\n\n\n
    • possibilit\u00e0 di utilizzare cavi di notevole lunghezza fino a migliaia di metri<\/li>\n\n\n\n
    • facile isolamento elettrico fra sensore e host<\/li>\n\n\n\n
    • trasmissione dati sincronizzata con un segnale di clock<\/li>\n\n\n\n
    • baud rate elevati fino a 10 Mbit\/secondo<\/li>\n\n\n\n
    • flessibilit\u00e0 \u2013 il numero di bit di un messaggio non \u00e8 limitato da una dimensione specifica del messaggio<\/li>\n\n\n\n
    • possibilit\u00e0 di collegare pi\u00f9 slave a un clock comune.<\/li>\n<\/ul>\n\n

      Talvolta gli ingegneri fanno confusione fra SSI, RS-422 ed RS-485. SSI \u00e8 il metodo di comunicazione seriale che usa gli standard hardware RS-422. L\u2019RS-485 \u00e8 un sistema o bus multinodo pi\u00f9 complesso. L\u2019RS-422 non consente di implementare una vera e propria rete di comunicazione multipunto poich\u00e9 in ciascuna coppia di fili vi pu\u00f2 essere un solo driver; nonostante questo, pi\u00f9 sensori possono usare il medesimo segnale di clock.<\/p>\n\n

      Clock e trasmissione dati dell\u2019SSI<\/h2>\n\n

      Il master (o controller) controlla i segnali di clock e lo slave (sensore di posizione) trasmette il dato o valore. Quando richiamato dal master, il dato viene inviato in uscita dallo slave alla cadenza del clock e memorizzato solitamente in uno shift register. Master e slave sono sincronizzati dal clock. I dati vengono trasmessi utilizzando segnali bilanciati o differenziali. Ci\u00f2 significa, sostanzialmente, che le linee CLOCK e DATI sono cavi a doppino intrecciato. La sequenza di clock viene avviata dal master quando \u00e8 necessario un dato o valore. \u00c8 possibile utilizzare frequenze di clock diverse che vanno da 100 kHz a 2 MHz e il numero di impulsi dipende da quanti bit di dati devono essere trasmessi. Il protocollo di trasmissione dei dati si basa su tre diverse parti successive (\u201c1\u2033 iniziale -> bit di dati -> \u201c0\u201d finale). In questo modo si ottengono affidabilit\u00e0 e sicurezza di trasmissione dei dati, senza errori hardware e software.<\/p>\n\n

      L\u2019SSI \u00e8 inizialmente in modalit\u00e0 inattiva, in cui le linee CLOCK e DATI rimangono a livello alto e lo slave continua ad aggiornare i propri dati. Mantenendo a livello alto le uscite CLOCK e DATI in modalit\u00e0 inattiva \u00e8 possibile rilevare contatti causati da fili spezzati.<\/p>\n\n

      Come si pu\u00f2 vedere nella Figura 3, il primo fronte di discesa dopo il tempo Tmu avvia il ciclo di lettura e la trasmissione dei dati. Ciascun fronte di salita del CLOCK trasmette il bit di dati successivo del messaggio iniziando da Dn-1. Dopo l\u2019ultimo fronte di salita della sequenza di clock, la linea dati viene impostata dal flag di errore (se supportato) per il periodo Tmu \u2013 0,5xt. Al termine del Tmu, l\u2019ultimo dato di posizione \u00e8 disponibile per la trasmissione nel ciclo di lettura successivo.<\/p>\n

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      Fig. 3<\/strong>\u00a0– Schema di temporizzazione dell\u2019SSI.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n
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      • T: periodo di clock (1\/T = da 100 kHz a 2 MHz)<\/li>\n\n\n\n
      • Trc: tempo del ciclo di lettura. \u00c8 definito come (n x T) + (0,5 x T)<\/li>\n\n\n\n
      • Tmu: tempo di aggiornamento del messaggio. Intervallo di tempo dall\u2019ultimo fronte di discesa del clock al momento in cui nuovi dati sono pronti per la trasmissione<\/li>\n\n\n\n
      • Timg: tempo tra i messaggi. Deve essere >Tmu, altrimenti il dato di posizione sar\u00e0 indeterminato<\/li>\n\n\n\n
      • n: numero di bit nel messaggio (flag di errore non incluso).<\/li>\n<\/ul>\n\n

        Dopo n impulsi di CLOCK (fronti di salita) la trasmissione del valore del dato \u00e8 completata. Al successivo impulso di CLOCK (fronte di salita n+1) l\u2019uscita del sensore si porta sul livello basso. Se \u00e8 sul livello alto anche dopo n+1 fronti di salita, significa che l\u2019interfaccia \u00e8 in corto circuito.<\/p>\n\n

        Tramite il collegamento a un clock comune \u00e8 possibile eseguire contemporaneamente le letture da pi\u00f9 slave (fino a tre). Per evitare anelli di terra e isolare elettricamente lo slave, \u00e8 necessario un isolamento galvanico completo tramite fotoaccoppiatori.<\/p>\n\n

        La trasmissione multipla degli stessi dati dal sensore di posizione avviene solo in caso di impulsi di clock continui, anche dopo la trasmissione del bit meno significativo. Le sequenze iniziali sono le stesse della trasmissione singola. In condizione d\u2019inattivit\u00e0 le linee CLOCK e DATI sono sul livello alto, ma quando arriva il primo fronte di discesa viene richiamata la modalit\u00e0 di trasmissione e i bit di dati vengono trasmessi analogamente in sequenza iniziando dal bit pi\u00f9 significativo a ogni fronte di salita del CLOCK. La trasmissione del bit meno significativo indica che tutti i dati sono stati trasmessi. Un ulteriore fronte di salita porta la linea dati sul livello basso, a indicare la fine della trasmissione dei dati.<\/p>\n\n

        Se sono presenti impulsi di clock continui anche dopo il termine della trasmissione (cio\u00e8 se gli impulsi di clock successivi arrivano entro il tempo tw [< tm]), il valore dello slave non viene aggiornato. Questo perch\u00e9 l\u2019uscita monostabile \u00e8 ancora instabile e il valore nello shift register non \u00e8 variato. Quindi, al successivo fronte di salita, cio\u00e8 dopo il fronte di salita (n+1) continua la trasmissione degli stessi dati e l\u2019MSB dei dati trasmessi in precedenza viene ritrasmesso. Successivamente viene seguita la stessa procedura delle trasmissioni precedenti, con una conseguente trasmissione multipla degli stessi dati. Il valore dello slave viene aggiornato solo quando il tempo fra due impulsi di clock \u00e8 superiore al timeout di trasmissione. La trasmissione multipla pu\u00f2 essere usata per verificare l\u2019integrit\u00e0 dei dati. I due valori consecutivi ricevuti vengono confrontati e le differenze eventualmente riscontrate indicano errori di trasmissione. La trasmissione dei dati \u00e8 controllata dal master e pu\u00f2 essere interrotta in qualsiasi momento semplicemente interrompendo la sequenza di clock per un periodo superiore a quello di timeout. Lo slave riconosce automaticamente il timeout di trasmissione e si porta in modalit\u00e0 inattiva.<\/p>\n\n

        Alcuni produttori di sensori di posizione hanno inserito informazioni aggiuntive al protocollo SSI di base, nell\u2019intento di assicurare un\u2019elevata integrit\u00e0 della trasmissione dei dati. Per garantire la sicurezza e segnalare la fine della trasmissione dei dati \u00e8 possibile aggiungere bit CRC o di parit\u00e0, impiegati per verificare se i dati provenienti dal sensore di posizione sono stati correttamente ricevuti e interpretati.<\/p>\n\n

        Sensori che utilizzano l\u2019interfaccia SSI<\/h2>\n\n

        I lettori pi\u00f9 attenti hanno forse notato che in questo articolo si usa il termine \u201csensore\u201d invece del pi\u00f9 comune \u201cencoder\u201d. Si tratta di una scelta voluta perch\u00e9 gli encoder vengono spesso, ma erroneamente, considerati come dispositivi ottici che generano dati in funzione di una posizione misurata. Negli ultimi anni \u00e8 nata una nuova generazione di encoder senza contatto (prevalentemente assoluti) che non sono di tipo ottico ma induttivo (detti anche \u201cincoder\u201d). Tali dispositivi usano trasformatori a circuito stampato invece dei voluminosi e costosi avvolgimenti impiegati nei sensori di posizione induttivi tradizionali, quali resolver, LVDT, RVDT e sincronizzati. Questi dispositivi tradizionali sono stati per molti anni la scelta preferita degli ingegneri per svariati ambienti difficili grazie alla loro affidabilit\u00e0, il grado elevato di sicurezza e la modalit\u00e0 operativa senza contatto. Gli incoder si basano sugli stessi principi dei loro corrispettivi tradizionali e sono quindi altrettanto affidabili e robusti, ma anche pi\u00f9 accurati e facili da usare. La facilit\u00e0 d\u2019uso deriva in parte dal fatto che utilizzano l\u2019interfaccia SSI come modalit\u00e0 di comunicazione preferenziale. Hanno conquistato una quota di mercato significativa nelle versioni con foro passante e senza cuscinetti nelle applicazioni in cui sono necessari sensori con affidabilit\u00e0 e precisione elevate nei settori medicale, industriale, aerospaziale e della difesa.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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