Un ghid al protocoalelor de comunicare pentru codificatoarele absolute

Automatizarea continuă să revoluționeze lumea modernă. Aceasta depășește domeniul automatizării industriale și al industrializării 4.0 și include domeniile comerciale și de consum. Aici intervine IoT în sens larg, prin automatizarea unor sarcini care odată erau fizice, dar care acum sunt din ce în ce mai mult electromecanice.

În termeni foarte generali, motoarele electrice oferă un mod de a controla lumea fizică. Cu toate acestea, majoritatea motoarelor electrice sunt relativ simple, ceea ce înseamnă că, de obicei, nu oferă niciun fel de feedback cu privire la poziția lor. Acest lucru este valabil în special pentru motoarele ieftine utilizate doar pentru a deplasa o sarcină. Poate fi surprinzător, dar acest lucru poate include aplicații relativ sofisticate, cum ar fi scaunele de mașină care își ajustează automat poziția în funcție de cheia utilizată pentru deschiderea și pornirea vehiculului.

Aceste motoare de bază primesc „inteligența” necesară pentru a ști unde se află scaunul și cum să îl ajusteze prin intermediul codificatoarelor. În timp ce unele motoare includ codificatoare, cele care nu le includ pot utiliza codificatoare externe concepute pentru a fi montate în exteriorul arborelui motorului. Există diferite tipuri de codificatoare utilizate în aceste aplicații, fiecare având propriul mod de detectare a mișcării. Acestea pot include codificatoare optice care numără impulsurile de lumină atunci când un obiect trece prin fața unei surse de lumină sau numără impulsurile generate de un comutator cu efect Hall atunci când un magnet trece deasupra lui.

Unele codificatoare, cum ar fi seria AMT de codificatoare absolute de la Same Sky, combină rezoluția înaltă oferită de un codificator optic cu robustețea unui codificator magnetic. Acest lucru se realizează prin codificare capacitivă, care utilizează două plăci: un emițător și un receptor, separate de o a treia placă atașată la rotor. Pe măsură ce placa centrală se rotește, aceasta interferează cu un semnal care este condus capacitiv între emițător și receptor. Deoarece interferența nu depinde de mișcare, poziția absolută a plăcii rotorului poate fi detectată chiar și atunci când aceasta nu este în mișcare.

Aplicațiile obișnuite necesită ca codificatorul să detecteze viteza motorului sau să interpreteze poziția elementului mișcat de motor pe baza numărului de rotații. De asemenea, poate fi necesar să detecteze direcția de deplasare. În plus, modul în care este raportată poziția poate varia. După cum s-a menționat mai sus, un codificator rotativ absolut nu depinde de cunoașterea poziției anterioare, deoarece furnizează o valoare unică pentru fiecare poziție cuantificabilă a rotorului. Acest lucru poate fi util în aplicațiile care trebuie să cunoască poziția motorului după un ciclu de alimentare, cum ar fi atunci când cineva se urcă într-un vehicul.

Protocoale utilizate în codificatoarele rotative

Oricare ar fi metoda utilizată pentru a capta mișcarea fizică, informațiile trebuie să fie transmise ulterior unui controler. Acest lucru este realizat printr-un alt nivel de codificare, care ia impulsurile brute și le transformă într-un protocol de transmisie.

Conexiunea fizică influențează alegerea protocolului și modul în care acesta funcționează. În general, protocolul fie va fi sincron, ceea ce înseamnă că utilizează un semnal de tact, fie asincron (fără semnal de tact). În plus, conexiunea fizică poate fi cu un singur capăt sau, pentru a asigura o robustețe suplimentară, diferențială. Această combinație rezultă în patru alternative posibile, iar cele mai populare protocoale care le acoperă sunt interfața periferică serială sau SPI (cu un singur capăt, sincronă), RS-485, cunoscut și sub numele de TIA/EIA-485 (diferențială, asincronă) și interfața sincronă serială sau SSI (diferențială, sincronă).

Protocoalele sunt alese din mai multe motive. Pe de o parte, acestea oferă un nivel de interoperabilitate, dar, pe de altă parte, sporesc robustețea canalului de comunicare, în special în aplicațiile cu zgomot electric, cum ar fi controlul motoarelor industriale. Dar acest lucru vine cu provocarea de a identifica protocolul cel mai bun pentru o anumită aplicație. Din fericire, seria AMT include modele care oferă toate cele trei protocoale menționate mai sus. Prin urmare, este util să le analizăm mai îndeaproape pe fiecare pentru a înțelege pe deplin atributele lor relative, ceea ce vă va ajuta în procesul de selecție.

Magistrala SPI

Fiind o magistrală sincronă, una dintre conexiunile unei magistrale SPI este un semnal de tact dedicat (SCLK). De asemenea, protocolul acceptă funcționarea full-duplex datorită conexiunilor dedicate pentru dispozitivul Master și dispozitivul Slave. Deoarece toate schimburile de date sunt coordonate de semnalul de tact, dispozitivele Master și Slave pot comunica fără a fi nevoie să negocieze mai întâi parametrii, cum ar fi rata de transfer a datelor sau lungimea mesajului. Fiecare dispozitive Slave va avea un pin de selectare a cipului (Figura 1), care permite dispozitivului Master să controleze cu ce dispozitiv comunică în orice moment.

Ca exemplu, seria AMT22 dispune de un codificator SPI care poate fi configurat pentru a funcționa cu un semnal de tact de 2 MHz. Asta înseamnă că, atunci când un dispozitiv Master solicită acest lucru, codificatorul poate răspunde cu poziția sa curentă în doar 1500 ns. Configurația de cablare pentru protocolul SPI este, de asemenea, simplă, cu conexiuni dedicate pentru Ieșire Master, intrare Slave (MOSI) și Intrare Master, ieșire Slave (MISO) pe fiecare dispozitiv. Fiecare dintre aceste conexiuni sunt cablate împreună, după cum se arată în Figura 1, în timp ce dispozitivul Master are conexiuni dedicate pentru pinii individuali de selectare a cipului.

Figura 1: protocolul SPI utilizează conexiuni comune pentru semnalul de tact și date, cu conexiuni dedicate pentru selectarea cipului (Sursă imagine: Same Sky)

Fiind o magistrală cu un singur capăt, protocolul SPI este bine adaptat pentru conexiuni pe distanțe relativ scurte, de aproximativ 1 metru sau mai puțin, dacă se utilizează semnalul de tact de mare viteză. Această distanță poate fi extinsă dacă viteza tactului este redusă, pentru a menține integritatea semnalului. Acest lucru face ca protocolul SPI să fie extrem de versatil și potrivit pentru mai multe aplicații.

Magistrala RS-485

În cazul în care aplicația implică distanțe mai mari de 1 metru sau dacă mediul prezintă o cantitate semnificativă de zgomot electric, o magistrală diferențială poate fi o opțiune mai bună. Acest lucru se datorează faptului că un semnal diferențial este în mod inerent mai robust decât un semnal cu un singur capăt. O altă tehnică care poate crește robustețea este eliminarea necesității unui semnal de tact curat pe magistrală. În acest caz, magistrala RS-485 și protocolul asociat pot fi o alegere potrivită.

Interfața RS-485 utilizează cabluri cu perechi torsadate și, deoarece este diferențială, are nevoie de terminații corespunzătoare la fiecare capăt al cablului. Dar, deoarece este asincronă, nu există un semnal de tact dedicat pe magistrală, astfel că are nevoie doar de doi conductori (Figura 2) și poate atinge viteze de transfer de date de 10 Mbit/s sau chiar mai mari. Ca magistrală, acceptă mai multe conexiuni, dar fiecare trebuie să fie terminată și adaptată la impedanța cablului. Pentru a menține performanțele, fiecare dispozitiv trebuie conectat la magistrală folosind cea mai scurtă lungime de cablu posibilă.

Seria AMT21 utilizează magistrala/protocolul RS-485, necesitând doar două conexiuni pentru perechea torsadată și încă două pentru alimentare. Deoarece este asincronă, toate dispozitivele trebuie să cunoască modul în care este configurat protocolul iar, în mod implicit, seria AMT21 utilizează 8N1, ceea ce înseamnă 8 biți de date, fără paritate și 1 bit de oprire. În această configurație, cei mai semnificativi șase biți sunt utilizați ca adresă, ceea ce înseamnă că o conexiune poate accepta până la 64 de dispozitive care pot fi adresate individual. Cei doi biți cel mai puțin semnificativi sunt utilizați pentru instrucțiuni. Atunci când primește instrucțiunea de a furniza datele de poziție, seria AMT21 poate răspunde în trei microsecunde. De asemenea, există și instrucțiuni de resetare a codificatorului și de setare a poziției zero.

Figura 2: protocolul RS-485 acceptă mai multe dispozitive pe o singură pereche torsadată (Sursă imagine: Same Sky)

Magistrala SSI

În configurația sa standard, magistrala SSI poate fi văzută ca o extensie a magistralei RS-485 prin adăugarea unei perechi diferențiale care transportă un semnal de tact alături de o pereche diferențială pentru date. Asta înseamnă că interfața SSI standard utilizează două perechi diferențiale, sau patru conexiuni, pentru tact și date. Same Sky a dezvoltat o variație a acestui design, prin eliminarea aspectului diferențial și adăugarea unui pin de selectare a cipului. Acest lucru reduce numărul de pini de la patru la trei per conexiune, adăugând în același timp confortul unui selector de cip dedicat (Figura 3).

Această variantă este compatibilă cu controlerele SSI care acceptă selectarea cipului și oferă niveluri de performanță similare cu SPI. Seria AMT23 de la Same Sky utilizează această variantă SSI și poate fi configurată după cum se arată în Figura 3.

Figura 3: această variantă SSI necesită mai puține fire, dar acceptă selectarea cipului (Sursă imagine: Same Sky)

Concluzie

Utilizarea automatizării este în continuă creștere. Codificatoarele absolute, concepute pentru a fi montate pe motoarele electrice, oferă un control mai mare în aplicațiile de automatizare. Tehnologia de codificare capacitivă dezvoltată de Same Sky și disponibilă în seria AMT utilizează trei protocoale de comunicare, fiecare dintre acestea având propriile caracteristici și beneficii. Acest lucru oferă inginerilor o mai mare libertate de proiectare atunci când aleg cea mai bună tehnologie pentru aplicația lor.