■大連光洋科技工程有限公司 （ 遼寧　116600） 商懷昊 韓基鵬 肖 鵬 李德爽

基于BiSS-C協(xié)議的編碼器接口技術(shù)及在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

■大連光洋科技工程有限公司 （ 遼寧116600） 商懷昊 韓基鵬 肖 鵬 李德爽

摘要：本文論述了BiSS-C協(xié)議的內(nèi)容和傳輸方式，并通過(guò)FPGA編程來(lái)實(shí)現(xiàn)其接口的開(kāi)發(fā)，并在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中加以驗(yàn)證。

BiSS（Bidirecti on al Synchronous Serial）協(xié)議是一種由德國(guó)IC-Haus公司提出的新型可自由使用的開(kāi)放式同步串行通信協(xié)議，使用該協(xié)議通信波特率可以達(dá)到10Mbps，達(dá)到RS422接口總線的波特率上限，是其他一些同類(lèi)常用串行通信協(xié)議（如SSI，EnDat，Hiperface，起止式異步協(xié)議）的5倍以上。

目前，BiSS協(xié)議中BiSS-B運(yùn)用最為廣泛，其中海德漢技術(shù)最為成熟，由于海德漢擁有自己的法律團(tuán)隊(duì)，在對(duì)BiSS-B協(xié)議使用過(guò)程中，將一部分內(nèi)容申請(qǐng)專(zhuān)利，破壞了BiSS協(xié)議的開(kāi)放性。歐洲法庭對(duì)海德漢BiSS專(zhuān)利性的定局是其他編碼器廠商最多可以開(kāi)放性使用BiSS-B至2013年6月份。鑒于此事件，眾多編碼器廠商提出了BiSS-C協(xié)議。

BiSS - C協(xié)議在接口上與BiSS-B完全兼容，BiSS-C接口的特征是雙向同步通信。由于其協(xié)議設(shè)計(jì)為全數(shù)字連接，保證了通信傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴Ｍ瑫r(shí)，其對(duì)硬件要求小、可大大節(jié)省安裝和維護(hù)的成本。BiSS-C是高速串行協(xié)議，適用于需要較高加速度、平穩(wěn)的速度控制、優(yōu)異的雙向重復(fù)性和超強(qiáng)的位置穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)軸。BiSS-C協(xié)議已被廣泛地應(yīng)用于用于高精度位置控制的絕對(duì)位置式編碼器中。

本文將對(duì)BiSS - C協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并將其在基于DSP+FPGA為主要架構(gòu)的大連光洋科技工程有限公司自主研發(fā)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中加以驗(yàn)證。

1. BiSS-C接口的連接方式

（1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式：在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置中，只有一個(gè)配有一個(gè)或多個(gè)從接口（傳感器）的設(shè)備連接到主控接口上。主控接口通過(guò)MA信號(hào)線將時(shí)鐘信號(hào)傳輸?shù)綇慕涌?。SL信號(hào)線將傳感器數(shù)據(jù)從第一個(gè)從接口（First Slave）直接傳送回主控接口。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置中，BiSS-C接口只有兩根單向差動(dòng)信號(hào)線，其硬件與BiSS-B 和S S I接口完全兼容。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置中，最后一個(gè)從接口（Last Slave）的輸入信號(hào)SLI的輸入為“0”（見(jiàn)圖1）。

（2）總線模式：在總線配置中，所有設(shè)備均為鏈狀連接，每一個(gè)設(shè)備還可包含多個(gè)從接口。每個(gè)從接口有兩個(gè)端子（SLO和SLI），主控接口通過(guò)MA信號(hào)線向所有從接口提供時(shí)鐘信號(hào)，SLO和SLI線以鏈的形式連接主控接口和所有從接口（見(jiàn)圖2）。

圖1　BiSS-C協(xié)議點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置

圖2　BiSS-C協(xié)議總線配置

第一個(gè)從接口（First Slave）是指數(shù)據(jù)第一個(gè)傳輸?shù)街鹘涌诘膹慕涌?。它的輸出SLO直接連接

到主回路的SL信號(hào)線上。主接口的MO控制信號(hào)線與最后一個(gè)從接口（Last Slave）的輸入信號(hào)端子SLI相連。

在總線模式配置中，BiSS-C一個(gè)主控接口上所連接的從接口的數(shù)量是沒(méi)有限制的，而在BiSS-B的總線模式配置中，一個(gè)主控器最多只能連接8個(gè)從接口，可見(jiàn)BiSS-C協(xié)議比BiSS-B協(xié)議具有更好的發(fā)展前景。

2. BiSS-C協(xié)議通信模式

（1）傳感和驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)通信：BiSS幀：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式的BiSS幀時(shí)序如圖3所示，當(dāng)空閑時(shí)，主控接口使MA保持高電平。SL線保持高電平表示從接口已準(zhǔn)備就緒。主接口通過(guò)開(kāi)始在MA上傳輸時(shí)鐘脈沖來(lái)請(qǐng)求位置采集。MA的第二上升沿，從接口把SLO線設(shè)為低電平做出響應(yīng)。完成響應(yīng)（Ack）周期后，從接口通過(guò)SLO線將與時(shí)鐘同步的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鹘涌?，?dāng)所有數(shù)據(jù)都傳送完畢，Bi SS幀以超時(shí)為結(jié)束，主接口停下時(shí)鐘，在超時(shí)的時(shí)間內(nèi)MA線的狀態(tài)代表CDM位。

（2） 控制通信：BiSS-C協(xié)議通過(guò)多個(gè)周期的MA時(shí)鐘信號(hào)末尾掛載的CDM位來(lái)組成控制幀，從而實(shí)現(xiàn)控制通信和寄存器通訊功能，當(dāng)進(jìn)行以上兩種通信時(shí)，控制幀的起始位之前一定要至少持續(xù)保持14個(gè)CDM=“0”。①命令模式：在控制通信中，一個(gè)命令幀以一個(gè)開(kāi)始位（S）和控制選擇位(CTS=0)開(kāi)始，隨即發(fā)送8位IDS選擇從動(dòng)地址，隨后發(fā)送CDM指令，并跟隨4位CRC校驗(yàn)碼。②寄存器模式：從寄存器的讀寫(xiě)權(quán)限的獲得需要設(shè)置控制幀的控制選擇位（CTS）為“1”；這里，主控接口發(fā)送從接口ID（3bit），緊隨寄存器地址（7bit）和4bit的CRC校驗(yàn)碼，接下來(lái)的R和W字節(jié)決定了此幀是一個(gè)讀訪問(wèn)（RW=“10”）還是寫(xiě)訪問(wèn)（RW=“01”）。當(dāng)進(jìn)行寫(xiě)訪問(wèn)時(shí)，隨后緊跟一個(gè)起始字節(jié)、8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)、4bit的CRC校驗(yàn)碼和一個(gè)終止位；當(dāng)進(jìn)行讀訪問(wèn)時(shí)，隨后緊跟一個(gè)起始字節(jié)，12個(gè)“0”字節(jié)和一個(gè)終止位。具體時(shí)序如圖4～圖6所示。

圖3　BiSS幀（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置）

圖4　命令幀

圖5　寄存器寫(xiě)模式

圖6　寄存器讀模式

3. 基于BiSS-C協(xié)議的編碼器在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的驗(yàn)證

（1）硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)中所選用Bi SS-C協(xié)議編碼器為Renishaw的32bit圓光柵編碼器，接口電平轉(zhuǎn)換芯片選用TI公司的AM26C31 、AM26C32和SN74LVC244A來(lái)實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA選用ALTERA公司的Cyclone系列EP1C12Q240C8，DSP選用TI公司的TMS320F2812。

本設(shè)計(jì)將Bi SS-C協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)，圖8所示為設(shè)計(jì)中編碼器數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)時(shí)序，其中CDS位設(shè)置為“0”，Position位設(shè)置為32bit，CRC校驗(yàn)碼為6bit。本設(shè)計(jì)中為了兼容不同廠家BiSS-C協(xié)議編碼器，將編碼器位置信息位數(shù)設(shè)為可配置，并且兼容BiSS-B和BiSS-C協(xié)議。

（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。圖9所示為BiSS-C協(xié)議編碼器實(shí)際傳輸波形，其中通道1為MA信號(hào)線波形，通道2為SL信號(hào)線波形，MA時(shí)鐘設(shè)置為5M，完成一次傳輸時(shí)間為12.5μs。

圖7　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

最后，本實(shí)驗(yàn)采用了大連光洋科技工程有限公司自主研發(fā)的GNC62數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝有BiSS-C協(xié)議編碼器的電動(dòng)機(jī)，并對(duì)系統(tǒng)的隨動(dòng)誤差進(jìn)行測(cè)量。圖10和圖11所示為采用BiSS-C協(xié)議編碼器后的機(jī)床位置軸的跟隨誤差，圖10表示給定速度為階躍信號(hào)時(shí)系

統(tǒng)的隨動(dòng)誤差，圖11表示為給定速度為正弦信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的隨動(dòng)誤差。

圖8　點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下編碼器BiSS-C協(xié)議接口時(shí)序圖

圖9　BiSS-C協(xié)議編碼器實(shí)際傳輸波形

圖10

圖11

4. 結(jié)語(yǔ)

基于BiSS-C協(xié)議精度高，傳輸速度快（循環(huán)發(fā)送周期短），安全可靠性高和安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，BiSS-C協(xié)議具有其他通信協(xié)議不可比擬的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)的工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)，以BiSS-C協(xié)議為代表的高速雙向同步串行編碼器將會(huì)有越來(lái)越好的發(fā)展前景，必將會(huì)成為伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域編碼器的主流產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1] BiSS application note：BiSS Interface PROTOCOL DESCRIPTION (C-Mode).

[2] RENISHAW apply innovation：BiSS C-mode （unidirectional）for RESOLUTE encoders.

[3] Clive“MAX” Maxfield. FPGA權(quán)威指南[M]. 北京：人民郵電出版社，2012.

收稿日期：（20150312）