Синхронный последовательный интерфейс (SSI) — это широко используемый стандарт последовательного интерфейса для промышленных приложений между ведущим устройством (например, контроллером) и ведомым устройством (например, датчиком). SSI основан на стандартах RS-422 [1] и имеет высокую эффективность протокола в дополнение к его реализации на различных аппаратных платформах, что делает его очень популярным среди производителей датчиков. SSI был первоначально разработан Max Stegmann GmbH в 1984 году для передачи данных о положении абсолютных энкодеров — по этой причине некоторые производители сервоприводного оборудования называют свой порт SSI «интерфейсом Stegmann». Ранее он был защищен немецким патентом DE 34 45 617, срок действия которого истек в 1990 году. Он очень подходит для приложений, требующих надежности и устойчивости при измерениях в различных промышленных условиях.
Он отличается от шины последовательного периферийного интерфейса (SPI): шина SSI является дифференциальной , симплексной , не мультиплексированной и использует тайм-аут для кадрирования данных. Шина SPI является однопроводной , дуплексной и использует сигнал выбора микросхемы для кадрирования данных. Однако периферийные устройства SPI на микроконтроллерах могут реализовывать SSI с внешними дифференциальными драйверами-ИС и программно-управляемой синхронизацией.
SSI — это синхронный, точка-точка, последовательный канал связи для передачи цифровых данных. Синхронная передача данных — это передача данных путем синхронизации передачи на принимающем и передающем концах с использованием общего тактового сигнала. Поскольку стартовые и стоповые биты отсутствуют, это позволяет лучше использовать полосу пропускания передачи данных для большего количества битов сообщений и делает весь процесс передачи проще и легче. Тактовый генератор нуждается в собственной полосе пропускания и должен быть включен при определении общей полосы пропускания, необходимой для связи между двумя устройствами.
В общем, как упоминалось ранее, это соединение точка-точка от ведущего устройства (например, ПЛК, микроконтроллера) к ведомому устройству (например, вращающимся энкодерам ). Ведущее устройство управляет тактовой последовательностью, а ведомое устройство передает текущие данные/значение через сдвиговый регистр. При вызове ведущим устройством данные тактируются из сдвигового регистра. Ведущее и ведомое устройства синхронизируются общим тактовым сигналом контроллера.
Сигналы CLOCK и DATA передаются в соответствии со стандартами RS-422. RS-422, также известный как ANSI/TIA/EIA-422-B, является техническим стандартом, который определяет электрические характеристики схемы цифрового интерфейса с балансным напряжением. Данные передаются с использованием балансной или дифференциальной сигнализации, т. е. линии CLOCK и DATA представляют собой витые пары кабелей.
Входы могут использовать оптопару для снижения электромагнитных помех (ЭМП), что делает его надежным каналом связи при передаче на большие расстояния и в суровых внешних условиях.
Интерфейс имеет простую конструкцию. Он состоит из 2 пар проводов, одна для передачи тактовых сигналов от ведущего устройства, а другая для передачи данных от ведомого устройства. Тактовые последовательности запускаются ведущим устройством при необходимости. Могут использоваться различные тактовые частоты в диапазоне от 100 кГц до 2 МГц, а количество тактовых импульсов зависит от количества передаваемых битов данных.
Самый простой интерфейс подчиненного устройства SSI использует перезапускаемый моностабильный мультивибратор (монофлоп) для заморозки текущего значения датчика. Текущие замороженные значения подчиненного устройства хранятся в регистрах сдвига. Эти значения тактируются последовательно при инициализации контроллером.
Формат данных разработан таким образом, чтобы обеспечить надлежащую передачу данных. Протокол передачи данных основан на трех различных последовательных частях (Leading-"1" -> Data-Bits -> Ending-"0"). Основное значение этого типа формата заключается в обеспечении надлежащей работы интерфейса и, следовательно, безопасной передачи данных без каких-либо аппаратных или программных ошибок.
В состоянии ожидания CLOCK находится на высоком уровне, а выход датчика находится на высоком уровне, поэтому его можно использовать для обнаружения любых оборванных контактов проводов. Это помогает наблюдать за надлежащим рабочим состоянием интерфейса.
После n-CLOCK импульсов (нарастающие фронты) данные полностью передаются. Со следующим CLOCK импульсом (нарастающий фронт n+1) выход датчика переходит на низкий уровень, который может быть использован для обнаружения короткого замыкания в кабеле. Если он высокий даже после n+1 нарастающих фронтов, то это означает, что интерфейс имеет короткое замыкание.
Показания с нескольких подчиненных устройств (до трех) могут быть включены одновременно путем подключения их к общим часам. Однако, чтобы избежать контуров заземления и электрически изолировать подчиненное устройство, необходима полная гальваническая развязка с помощью оптопары.
Следующие ключевые слова будут полезны для понимания процедуры передачи данных SSI.
На схеме показана однократная передача данных с использованием протокола SSI:
Первоначально SSI находится в режиме ожидания, при котором линии данных и синхронизации остаются на ВЫСОКОМ уровне, а ведомое устройство продолжает обновлять свои текущие данные.
Режим передачи вызывается, когда ведущий инициирует последовательность тактовых импульсов. Как только ведомый получает начало тактового сигнала (1), он автоматически замораживает свои текущие данные. С первым нарастающим фронтом (2) тактовой последовательности передается старший бит значения датчика, а с последующими нарастающими фронтами биты последовательно передаются на выход.
После передачи полного слова данных (3) (т.е. передан LSB) дополнительный нарастающий фронт тактового сигнала устанавливает линию тактового сигнала в ВЫСОКИЙ уровень. Линия данных устанавливается в НИЗКИЙ уровень и остается в нем в течение определенного периода времени, tm, для распознавания тайм-аута передачи. Если в течение этого времени получен тактовый сигнал (запрос на вывод данных), те же данные будут переданы снова (множественная передача).
Подчиненное устройство начинает обновлять свое значение, и линия данных устанавливается в состояние HIGH (режим ожидания), если в течение времени tm нет тактовых импульсов. Это отмечает конец одиночной передачи слова данных. Как только подчиненное устройство получает тактовый сигнал за раз, tp (>=tm), обновленное значение положения замораживается, и передача значения начинается, как описано ранее.
Многократные передачи одних и тех же данных происходят только в том случае, если есть непрерывная тактовая частота даже после передачи младшего бита, т.е. тактовые импульсы не позволяют монофлопу перейти в устойчивое состояние. Это проиллюстрировано ниже.
Начальные последовательности такие же, как и при одиночной передаче. В состоянии ожидания линии CLOCK и DATA имеют высокий уровень, но с приходом первого заднего фронта активируется режим передачи, и аналогичным образом биты данных передаются последовательно, начиная с MSB с каждым передним фронтом. Передача LSB означает, что передача данных завершена. Дополнительный передний фронт переводит линию данных в состояние LOW, что означает окончание передачи конкретных данных.
Но если даже после этого есть непрерывные тактовые импульсы (т. е. следующие тактовые импульсы приходят через время tw (< tm )), значение ведомого не обновляется. Это происходит потому, что монофлоп все еще нестабилен, и значение в сдвиговом регистре все еще содержит то же значение, что и раньше. Таким образом, со следующим нарастающим фронтом, т. е. после нарастающего фронта n+1, передача тех же данных продолжается, и старший бит данных, переданных ранее, повторно передается в конце tw.
Затем он следует той же процедуре, что и предыдущие передачи, что приводит к многократным передачам одних и тех же данных. Значение ведомого обновляется только тогда, когда время между двумя тактовыми импульсами больше, чем тайм-аут передачи, tm.
Для проверки целостности данных используется многократная передача. Сравниваются два последовательных полученных значения, различия между двумя значениями указывают на сбои передачи.
Передача данных контролируется ведущим устройством, и передача может быть прервана в любой момент путем остановки тактовой последовательности на период, превышающий tm. Ведомое устройство автоматически распознает тайм-аут передачи и перейдет в режим ожидания.
Поскольку SSI основан на стандартах RS-422, необходимо выбирать соответствующие кабели и соблюдать ограничения по длине кабелей и тактовым частотам.
Соотношение между длиной кабеля и тактовой частотой показано на следующем рисунке. [2] Это можно использовать в качестве консервативного руководства. Эта кривая основана на эмпирических данных с использованием стандартного медного проводника 24 AWG , неэкранированного витого телефонного кабеля с шунтирующей емкостью 52,5 пФ/метр (16 пФ/фут), нагруженного на резистивную нагрузку 100 Ом. Ограничение длины кабеля, показанное кривой, основано на предполагаемых требованиях к качеству сигнала нагрузки:
При использовании высоких скоростей передачи данных применение ограничивается более короткими кабелями. При использовании низких скоростей передачи данных возможно использование более длинных кабелей. Сопротивление постоянного тока кабеля ограничивает длину кабеля для приложений с низкой скоростью передачи данных за счет увеличения запаса помехоустойчивости по мере увеличения падения напряжения в кабеле. Влияние переменного тока кабеля ограничивает качество сигнала и ограничивает длину кабеля короткими расстояниями при использовании высоких скоростей передачи данных. Примеры комбинаций скорости передачи данных и длины кабеля варьируются от 90 кбит/с на 1,2 км до 10 Мбит/с на 5 м для RS-422.
Кабели, имеющие характеристики, отличные от витой пары 24 AWG, 52,5 пФ/метр (16 пФ/фут), также могут использоваться в пределах, указанных выше. Сначала определите абсолютные значения сопротивления и емкости контура типичного кабеля 24 AWG, предоставляемые длиной кабеля, связанной с желаемой скоростью передачи данных из рисунка. Затем преобразуйте эти значения в эквивалентные длины фактически используемого кабеля. Например, при использовании 19 AWG возможны более длинные расстояния, в то время как для 28 AWG потребуются более короткие расстояния.
Максимально допустимая длина кабеля, разделяющего ведущее и ведомое устройства, зависит от скорости передачи данных и зависит от допустимого искажения сигнала, количества продольно связанных шумов и разности потенциалов земли, вводимых между ведущим и ведомым контурами. Соответственно, пользователям рекомендуется ограничивать длину кабеля до минимума. Тип и длина используемого кабеля должны быть способны поддерживать необходимое качество сигнала, необходимое для конкретного применения. Кроме того, баланс кабеля должен быть таким, чтобы поддерживать приемлемые уровни перекрестных помех, как генерируемых, так и принимаемых.
Некоторые производители и организации [3] добавили дополнительную информацию в базовый протокол SSI. Это было сделано в основном для обеспечения правильной передачи данных. Для безопасной передачи и для указания окончания передачи данных могут быть добавлены биты CRC или биты четности. Проще говоря, они использовались для определения того, был ли байт правильно интерпретирован и получен. В исходной спецификации для обеспечения целостности данных использовались множественные передачи. В этом случае инициировались две последовательные передачи одних и тех же данных и сравнивались на предмет ошибок в передаче. Но это, однако, снижает эффективность протокола на 50% по сравнению с параллельной передачей данных.
Ограничения в этом интерфейсе незначительны для приложений в промышленной автоматизации. SSI может поддерживать связь только до 1,2 км и поддерживает только одно ведущее устройство. Однако 1,2 км — это довольно хорошее расстояние для связи по стандартам отрасли автоматизации. По сравнению с передовыми системами связи на основе полевых шин или Ethernet, SSI ограничен архитектурой ведущий-ведомый и простой связью точка-точка между ведущим и ведомым . Другим недостатком является отсутствие аппаратного подтверждения ведомого устройства , т. е. обнаружения ведомого устройства для связи.