BISS协议简介.pdf

新型传感器通信总线BiSS 介绍 编写： 赵志方 （禹衡光学有限公司） 审校： Eduardo Yi Cheng （IC-HAUS） BiSS 通信协议概述 BiSS 通信协议是一种全双工同步串行总线通信协议，专门为满足实时、双向、高速的 传感器通信而设计，在硬件上兼容工业标准SSI(同步串行接口协议)总线协议。其典型应用 是在运动控制领域实现伺服驱动器与编码器通信。BiSS 由德国 IC-HAUS 公司开发，现已 成为传感器通信协议的国际化标准。BiSS 通信协议目前的版本是BISS-C，应用BISS 无需 任何许可费用，BiSS 协会会员还可以申请获得免费的 IP 核源代码和相关技术支持，维持 BiSS 协会会员资格无需缴纳任何费用，申请入会也是免费的。 编码器总线的现状和发展趋势 传统的增量编码器采用正交编码输出角增量，其本质是信号变换器，编码器的正交编码 是被测机械转角的线性变换。这种编码器结构简单、技术成熟、应用广泛，其缺点有以下三 个方面： 其一，通信干扰容易造成后续电子设备获取到错误的角增量编码，通常的做法是将控制 系统看成惯性系统，从而利用低通滤波器将速度突变或方向突变抑制掉。但是工业现场环境 复杂，各种干扰频域宽、强度高，总有部分干扰引入到反馈环节，从而降低控制的准确度和 可靠性。同时这种误差具有累加性，往往需要借助外部机构消除累加误差，从而导致系统复 杂度提高。 其二，增量式编码器无法保存绝对位置信息。采用增量式编码器的系统，系统上电后要 有一个找“零”的工作过程。对于很多应用场合，系统低速归零是一个无奈的做法，在找“零” 过程中，如果零位信号受到干扰，则会引起较严重的问题，开发者要采取各种措施，保证归 零可靠。 其三，对于伺服控制系统而言，方便的获取伺服电机的参数是伺服控制系统的需求。将 参数保存在电机中并通过某种接口与伺服控制系统通信，就成为直接的做法。伺服控制系统 与伺服电机的数据接口只有编码器，采用正交编码的增量式编码器显然不能满足这个需要。 随着现场总线技术发展，SOC 片上系统逐渐普及，控制系统全数字化已成该领域的发 展方向和研究热点。编码器也在向数字化发展，从而带来传绝对式编码器和相关通信总线的 技术进步。由于编码器在运动控制领域应用最多，编码器总线要满足运动控制器对精度、分 辨率、响应速度的要求，应包括如下几个特征： 1、高速通信 2、时延固定 3、数据诊断 4 、双向通信 5、低成本 高速通信有助于提高响应速度；编码器的精度和分辨率决定了控制系统的精度，时延是 影响编码器精度的重要因素。运动控制器发出 “读指令”的时刻到编码器开始采样这段时 间理想情况下应是是固定的。这个时延越小，编码器的编码值的物理意义越准确。从而有利 于伺服控制器的算法调节。 试想利用CAN 总线实现编码器通信的情况。首先，伺服控制器发出一个CAN 通信帧； 然后，编码器从CAN 通信帧提取出“读指令”；最后，编码器进行数据采样，并回传数据。 这样的采样滞后是多长时间，时长是固定的么？作为对比， BiSS 在MA （MA 是主机发出 的时钟）的第一上升沿采样数据，理论上是没有延迟的。 可以说，通用现场总线目前还不适合高速编码器通信。专门用于高速数据通信的传感器 总线大都是编码器厂商开发，有很强的封闭性。比较有代表性的总线通信协议有EnDat2.2、 Hiperface、SSI、NRZ 等等。BiSS 由芯片商IC-HAUS 开发，协议开放。 BiSS 通信协议的关键技术特征 1、二线串行同步数据总线，采用RS422 接口，波特率达到 10Mbit/s；采用LVDS 接口， 波特率 10Mbit/s，这反映了BiSS 有高的响应速度； 2、通信效率高，每 10uS 传输超过64 个比特，有效负载率大于80%。这反映出BiSS 能 承载高分辨率编码器数据； 3、线路时分复用，包括每个通信周期传输一帧的数据通信信道和传输一个帧位的寄存器通 信信道。其中，寄存器通信和数据通信完全独立，互不干涉。对于不需要寄存器通信的 应用场合，可以使用BiSS-C Unidirectional 版本。这个版本的协议没有寄存器通信。 这反映了采用BiSS 的控制系统有更好的稳定性和便利性。 4 、多种安全机制确保数据可靠