SSI Encoders

Synchron‑Serielle Schnittstelle (SSI)

Synchron‑Serielle Schnittstelle (SSI) ist ein industrieller Standard für die serielle Schnittstelle zwischen Master (z. B. Steuerung) und Slave (z. B. Sensor).
Der Master treibt die Taktleitung (CLK), und der Slave steuert die Datenleitung (DATA). Im Ruhezustand sind beide Leitungen auf HIGH‑Pegel.
Der Positionswert wird synchron zum Taktsignal übertragen, beginnend mit dem Most Significant Bit (MSB). Beim ersten fallenden Taktflankenwechsel (Abbildung 1 A) wird der Sensordatenwert eingefroren (gelatcht), um Veränderungen während der Übertragung zu verhindern.
Beim folgenden steigenden Taktflankenwechsel (Abbildung 1 B) beginnt die Übertragung mit dem MSB, und mit jeder weiteren steigenden Flanke wird das nächste Bit auf der Datenleitung ausgegeben. Nach dem Least Significant Bit (LSB) bewirkt die letzte steigende Taktflanke (Abbildung 1 C), dass die Datenleitung auf LOW geschaltet wird, was das Ende der Übertragung signalisiert.

Pausenzeit

Nach der letzten fallenden Taktflanke bleibt die Datenleitung für eine gewisse Zeit auf LOW – diese Zeit wird als Übertragungs-Timeout (in älteren Publikationen auch als Monoflop-Zeit bezeichnet) bezeichnet.
Dies ist die Mindestzeit, die der Slave benötigt, um zu erkennen, dass die Datenübertragung abgeschlossen ist.
Nach Ablauf von tm wird die Datenleitung in den Leerlauf versetzt (Abbildung 1 D), und der Slave beginnt mit der Aktualisierung seiner Daten.
Wenn innerhalb dieser Zeit erneut ein Taktsignal (Datenanforderung) empfangen wird, werden die gleichen Daten nochmals übertragen (siehe Mehrfachübertragung).
Die minimale Pausenzeit beträgt 20 µs, eine maximale Pausenzeit ist nicht definiert.
Abbildung 1: SSI‑Übertragung

Übertragungsunterbrechung

Die Übertragung kann jederzeit unterbrochen werden, indem keine weiteren Taktsignale mehr an den Encoder gesendet werden. Nach Ablauf der Pausenzeit wird der Datenwert aktualisiert und der Encoder ist bereit für eine neue Datenübertragung. Ein zusätzlicher Stoppbefehl ist nicht erforderlich, und die Schnittstelle kann durch fehlerhafte Befehle nicht beschädigt werden.
Abbildung 1: SSI‑Übertragung

Binäre Datenrepräsentation bei SSI-Übertragung

Die Datenrepräsentation ist nicht herstellerübergreifend standardisiert. Die gängigste Methode ist die linksbündige binäre Darstellung. Das bedeutet, dass die Daten mit dem höchstwertigen Bit (MSB) beginnen – dem höchsten Bit eines Multiturn-Encoders (Abbildung 2 oben) oder dem höchsten Bit eines Singleturn-Encoders (Abbildung 2 unten).

Abbildung 2: Binäre Datenrepräsentation der SSI-Übertragung
Mxx – Repräsentiert die Umdrehungsdaten eines Multiturn-Encoders (25 Bit)
Sxx – Repräsentiert die Winkeldaten eines Singleturn-Encoders (13 Bit)

Gray-Code-Datenrepräsentation

Encoder-Daten werden manchmal im Gray-Code dargestellt. Eine dabei noch häufig verwendete Variante ist das sogenannte „Tannenbaum-Format“. In dieser Darstellung repräsentieren die ersten 12 Bits die Multiturn-Daten (Umdrehungen), die folgenden 13 Bits die Singleturn-Daten. Die Daten sind auf den 13-Takt-Zyklus zentriert. Ein Beispiel ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: SSI-Datenrepräsentation im Gray-Code

Mehrfachübertragung / Ringschiebung

Um die Datenintegrität zu gewährleisten, kann man identische Daten mehrfach übertragen und die empfangenen Werte vergleichen. Dieses Verfahren wird häufig als Mehrfachübertragung oder Ringschiebung bezeichnet. Die Sequenz zur Durchführung besteht darin, nach dem Empfang des vollständigen Datenworts weiterhin Taktsignale zu senden (Abbildung 4 A). Nach einem einzelnen „0“-Byte beginnt die Datenübertragung erneut mit dem MSB. Die Mehrfachübertragung wird auf dieselbe Weise wie die Einzelübertragung beendet – durch das Stoppen der Taktsignale. Achtung: Nicht alle Encoder-Modelle unterstützen die Funktion der Mehrfachübertragung.

Abbildung 4: SSI-Mehrfachübertragung

Physikalische Übertragung und Verkabelung

Die physikalische Übertragung erfolgt gemäß dem EIA-422 (RS-422) Standard, was die Verfügbarkeit von Komponenten sicherstellt und eine zuverlässige Übertragung auch in industriellen Umgebungen gewährleistet. Die Vorteile sind:

• 

  Große Übertragungsdistanzen bis zu 1200 m (4000 Fuß)

• 

  Differentielle Übertragung erhöht die Störsicherheit

• 

  Großer Gleichtaktbereich erlaubt Potenzialunterschiede zwischen Master und Slave

Es wird empfohlen, verdrillte Leitungen zu verwenden, die dem RS-422-Standard entsprechen. Die maximale Baudrate hängt von der Kabellänge ab. Als Orientierung können folgende Werte herangezogen werden:

Tipps und Hinweise

Wie verbindet man Encoder mit mehr als 13 Bit Singleturn-Auflösung?

Controller sind oft auf eine Singleturn-Auflösung von 13 Bit beschränkt. Wenn man Encoder mit höherer Singleturn-Auflösung (z. B. 16 Bit) anschließen möchte, kann man versuchen, den Controller im 25-Bit-Multiturn-Modus zu betreiben und die Skalierungsfunktion des Controllers zu nutzen.