工業(yè)旋轉(zhuǎn)編碼器中的SPI信號與SSI信號有什么區(qū)別

近年來國內(nèi)工業(yè)旋轉(zhuǎn)編碼器市場常?？吹健癝SI編碼器”，但卻存在兩種不同的“SSI”信號定義，以至于用戶常常搞錯而走彎路，而事實(shí)上一類是工業(yè)級編碼器的SSI信號接口，而另一類卻是芯片級SPI信號的混淆。本文就此針對SPI信號與SSI信號的不同比較，以試圖澄清，避免編碼器用戶被誤導(dǎo)而再走彎路。

1．1. SPI信號

SPI接口的全稱是“Serial Peripheral Interface”，意為串行外圍接口，是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時時鐘、AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，以三線或四線的物理結(jié)構(gòu)，信號電壓對地，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達(dá)到幾Mbps，SPI信號傳輸線少，電路簡單，并可多個鏈?zhǔn)竭x通而節(jié)省接口資源。

雖然SPI有以上優(yōu)點(diǎn)，然而它一般只用電路板上的信號傳輸，在真正的產(chǎn)品信號傳輸中卻很少用到，原因主要是其抗干擾能力差。SPI采用的是單端非平衡的傳輸方式，即傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的電壓電平是以公共地作為參考的。在這種傳輸方式中，對于已進(jìn)入信號中的干擾是無法消除和減弱的。而信號在傳輸過程中總會受到干擾，而且距離越長干擾越嚴(yán)重，以致于信號傳輸產(chǎn)生錯誤。在這種條件下，信號傳輸就變得毫無意義了。另外，由于單端非平衡傳輸方式以公共地作為參考點(diǎn)，地線作為信號回流線，因此也存在信號電流。當(dāng)傳輸線兩端的系統(tǒng)之間存在交流電位差時，這個電位差將直接竄到信號中，形成噪聲干擾。所以，為了解決抗干擾問題，通常采用平衡傳輸（balanced transmission）方式，這里采用比較常見的RS-422。另外，SPI信號的硬件接口為單端非平衡性器件，信號地與電源0V共地，對于外界較大的感應(yīng)沖擊電壓的影響下，較易由地引入反向感應(yīng)電壓的沖擊而較易損壞硬件。作為工業(yè)用編碼器，須通過各種EMC（電磁兼容性）試驗(yàn)才能作為正式產(chǎn)品，但SPI的信號無法通過EMC，其抗干擾性差及器件易損壞而不適合工業(yè)級應(yīng)用，因此是不能用SPI作為工業(yè)級編碼器信號接口輸出的。

2。RS-422簡介

RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，RS-422標(biāo)準(zhǔn)是RS-232的改進(jìn)型。它使用兩根線之間的電壓差來代表邏輯電平，通常稱之為雙絞線。它是一種平衡傳輸，任何噪聲或干擾都會同時影響兩根雙絞線中的每一根，但對二者之間的差異影響很小，這種現(xiàn)象稱為共模抑制。所以RS-422可以在更遠(yuǎn)的距離上以更快的速度傳輸數(shù)據(jù)，其抗干擾能力遠(yuǎn)強(qiáng)于RS-232、SPI等非平衡傳輸方式。RS485信號是在RS422的基礎(chǔ)上的改進(jìn)，其對于差分電壓的范圍更大，差分特性更明顯，其最大傳輸距離約1200 m，最大傳輸速度可達(dá)10 Mb/s。但是由于線路過長造成損耗，其傳輸速率會隨著距離的增加而下降。RS422與RS485信號為國際電工協(xié)會確認(rèn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行信號。

3． SSI信號

工業(yè)旋轉(zhuǎn)編碼器標(biāo)準(zhǔn)的同步串行信號Synchronous Serial Interface，由兩組RS422差分信號組成，一組由接收信號端控制器發(fā)送開始——中斷的時鐘脈沖，觸發(fā)編碼器設(shè)備返回另一組數(shù)據(jù)信號，每一個時鐘周期對應(yīng)一位數(shù)據(jù)，在接收端控制器中“同步”讀取。

普遍認(rèn)同的通訊規(guī)約：設(shè)備在時鐘的第一個下降沿準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，在隨后的時鐘上升沿開始發(fā)送數(shù)據(jù)，MSB（最高有效位）開始，連續(xù)發(fā)送至數(shù)據(jù)的LSB（最低有效位）后保持0（低）電平等待時鐘的穩(wěn)態(tài)，如果時鐘沒有給出穩(wěn)態(tài)電平，設(shè)備重新發(fā)送一遍數(shù)據(jù)。

串行輸出分同步與異步界面，同步就是發(fā)送指令與數(shù)據(jù)是同步的，這樣就是指令（時鐘）走一對電纜，數(shù)據(jù)走一對電纜SSI只是同步串行界面的簡稱，用于工業(yè)旋轉(zhuǎn)編碼器的接口，國際上并沒有規(guī)定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以德國海德漢、STEGMANN（現(xiàn)合并為SICK）為主的絕對值編碼器廠商使用的RS422的5V差分、中斷時鐘同步的SSI標(biāo)準(zhǔn)作為絕對值編碼器SSI輸出的主流，一些廠家與其相似，但仍然有細(xì)微的差別，國內(nèi)廠家往往不夠了解，以為SSI都是一樣的，等買來連接起來才發(fā)現(xiàn)不對，或者在家里連接的都好的，到了現(xiàn)場連接就不穩(wěn)定，或工作一段時間之后不穩(wěn)定（由于對其細(xì)小差別的不了解，或因現(xiàn)場因素、或一段時間之后器件的細(xì)小變化而產(chǎn)生了變化）。國外廠家出于商業(yè)目的，往往要求配置其推薦的后續(xù)設(shè)備，而對于自行選定或開發(fā)的后續(xù)設(shè)備，除非有很大的量，一般是不確定支持的。國內(nèi)如自行開發(fā)SSI信號傳感器或SSI接收設(shè)備，應(yīng)對各種SSI的細(xì)微差別充分的了解，如不了解，往往會在家連的好好的，到了現(xiàn)場就經(jīng)常不穩(wěn)定，此為在SSI信號的細(xì)節(jié)上沒有處理好。上海精浦提供的絕對值多圈SSI編碼器GMX425和GMS412就是參照德國海德漢、德國SICK編碼器的標(biāo)準(zhǔn)，與其完全兼容互換，并能連接如西門子PLC與科比變頻器等歐系設(shè)備的SSI接口。（上海精浦同樣可提供RS485信號接口的絕對值編碼器。）

同步串行信號的發(fā)展：SSI信號是最簡單的串行信號，同時，其信號的可靠性就較低，需要在發(fā)送-接收做相應(yīng)的可靠性處理，隨著運(yùn)動控制速度要求越來越高，或數(shù)據(jù)可靠性要求越來越高，但是“同步串行”信號真正的在更高速或干擾情況下，其實(shí)已經(jīng)不是“同步”了，為此同步串行信號增加了很多新的內(nèi)容，如海德漢的EnDat，STEGMANN的hiperface，以及歐洲一線編碼器聯(lián)盟的Biss，這些信號特點(diǎn)都是傳輸速度快，為避免傳輸速度快而產(chǎn)生的錯碼概率，而增加了循環(huán)校驗(yàn)碼CRC，并可以讀取編碼器內(nèi)部的工作壽命、工作溫度、光學(xué)讀頭可靠性等信息，這類編碼器目前都是連接其專用的接口，成本較高，主要在高速運(yùn)動控制中使用。

RS422信號為國際電工協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級信號，SSI由2組RS422信號構(gòu)成物理結(jié)構(gòu)，其同樣符合工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，為此，可作為工業(yè)級編碼器信號物理接口標(biāo)準(zhǔn)。

4． 芯片級SPI與工業(yè)級編碼器SSI的混淆

幾年前，國外某芯片廠家在國內(nèi)推廣其編碼器專用芯片時，國內(nèi)推廣人員錯誤地將SPI信號與編碼器的標(biāo)準(zhǔn)的SSI信號混淆了（同為時鐘同步信號而造成誤解），并提供了時序圖以“SSI”來說明，以至于國內(nèi)用戶對于芯片級SPI與工業(yè)級編碼器SSI的不同性的模糊認(rèn)知，事實(shí)上該芯片廠家已經(jīng)更正為SPI的說明，但是國內(nèi)市場上仍然有將SPI繼續(xù)混淆為編碼器的SSI信號來推銷編碼器的情況，編碼器用戶在選購“SSI”編碼器時，務(wù)必了解清楚其是否為工業(yè)級編碼器的“SSI”，還是芯片級的SPI信號，以避免走彎路。
責(zé)任編輯；zl