Интерфейс SSI для датчиков линейного положения MSI: подключение, настройка и преимущества

• Как работает интерфейс SSI?
• Ключевые особенности интерфейса SSI
• Достоинства интерфейса SSI
• Недостатки интерфейса SSI
• Принцип формирования посылки представлен на импульсной диаграмме
• Осциллограмма SSI протокола (monoflop time 48 микросекунд)
• Осциллограмма SSI протокола (monoflop time 16 микросекунд)
• Датчики линейного положения MSI: принцип работы
• Преимущества использования интерфейса SSI в магнитострикционных датчиках линейного положения MSI
• Что важно учесть при подключении датчика с интерфейсом SSI
• Руководство по подключению и настройке датчика линейного положения с интерфейсом SSI

Современные задачи промышленной автоматизации требуют надежных, точных и помехоустойчивых систем передачи данных между датчиками и управляющими устройствами. Особенно это актуально в системах, где нужно мгновенно считывать абсолютное положение с высокой точностью — например, в координатных станках, системах автоматизации, упаковочных линиях и робототехнике.

В этой статье мы рассмотрим синхронно-последовательный интерфейс (SSI — Synchronous Serial Interface) и его реализацию в магнитострикционных датчиках линейного положения MSI, что позволит инженерам полнее использовать возможности этой технологии в своих проектах.

Как работает интерфейс SSI?

Синхронно-последовательный интерфейс (SSI) — это промышленный стандарт цифровой передачи данных, разработанный компанией Max Stegmann GmbH в 1980-х годах и с тех пор получивший широкое распространение в системах промышленной автоматизации. SSI считается одним из наиболее надежных и помехоустойчивых протоколов для передачи данных от датчиков к контроллерам.

Ключевые особенности интерфейса SSI

• Скорость передачи: до 1 МГц, что позволяет получать данные с высокой частотой опроса
• Двухпроводная схема передачи: использует линии Clock и Data для обмена информацией. Clock (сигнальная линия тактовой частоты) и Data (сигнальная линия данных) 
• Дальность передачи: до 1500 метров при использовании соответствующих драйверов и качественных кабелей
• Формат данных: двоичный код или код Грея
• Защита от помех: дифференциальная передача сигналов (RS-422/RS-485)
• Гибкость: возможность настройки разрядности данных (как правило, от 8 до 32 бит)

Применение:

SSI – широко используется во многих областях, включая:

Промышленная автоматизация: SSI используется для передачи данных от датчиков и измерительных устройств к контроллерам и системам управления производством.

Авионика: В авиационных системах SSI используется для связи между различными аппаратными модулями, такими как гироскопы, акселерометры и другие приборы.

Медицинское оборудование: SSI может применяться для передачи данных с медицинских датчиков и приборов к медицинским системам мониторинга.

Машиностроение: интерфейс SSI может использоваться для связи между различными компонентами, такими как датчики двигателя и системы управления двигателем.

Достоинства интерфейса SSI

1. Простота и надежность: SSI – это простой и надежный способ передачи данных. Он обеспечивает последовательную передачу данных, что упрощает его реализацию.
2. Длинные расстояния: SSI может быть использован для передачи данных на значительные расстояния, благодаря тому, что он работает с низкими скоростями передачи данных.
3. Минимальное потребление энергии: Этот интерфейс может быть эффективным с точки зрения потребления энергии, что делает его подходящим для использования в батарейных устройствах.

Недостатки интерфейса SSI

1. Медленная скорость передачи данных: Одним из основных недостатков SSI является его низкая скорость передачи данных по сравнению с другими интерфейсами, такими как SPI (Serial Peripheral Interface) или I2C (Inter-Integrated Circuit).
2. Не подходит для большого количества устройств: SSI не подходит для ситуаций, где требуется одновременная связь с большим числом устройств, так как он предназначен для последовательной передачи данных.
3. Не поддерживает многозадачность: Интерфейс SSI работает в режиме ведущий-ведомый (Master – Slave), что ограничивает возможность многозадачности в системах, где требуется одновременная обработка нескольких задач.

В целом SSI – это простой и надежный интерфейс для передачи данных между устройствами, который находит применение в различных областях, но его скорость передачи данных и поддержка относительно небольшого количества устройств в сети, могут ограничивать его использование в некоторых приложениях.

Принцип формирования посылки представлен на импульсной диаграмме

Система управления (контроллер) запрашивает у датчика линейного положения значение текущей координаты, путём посылки импульсной последовательности с периодом «Т» на тактовый вход датчика линейного положения (число тактовых импульсов в последовательности зависит от числа бит, которые необходимо передать).

1. В режиме ожидания, когда данные не передаются, линия передачи данных и линия синхронизации находятся на высоком уровне.
2. Данные о текущем положении в виде параллельного кода «m» записываются в сдвиговом регистре с первым падающим фронтом синхронизации. В этом цикле больше невозможно обновить данные о значении текущей координаты.
3. При следующем восходящем тактовым сигналом, старший значащий бит «MSB» передаётся в систему управления (контроллер).
4. С каждым последующим восходящим тактовым сигналом производится побитовая передача в контроллер остальных разрядов кода, это происходит до тех пор, пока не будет передан младший значащий бит «LSB».
5. В момент, когда младший значащий бит «LSB» принимается контроллером, последовательность синхроимпульсов завершается и через интервал времени «tm» (минимум 48 мкс для серии MSI-B и 16 мкс для серии MSI-H, D, F, P*) линия передачи данных и линия синхронизации переходит в высокий логический уровень.

*Справедливо для датчиков выпущенных с начала 2024г.

Осциллограмма SSI протокола (monoflop time 48 микросекунд)

Осциллограмма SSI протокола (monoflop time 16 микросекунд)

В зависимости от области применения могут быть выбраны следующие режимы:
Асинхронный режим:
В асинхронном режиме датчик скорейшим образом передает положение магнита системе управления. Датчик работает независимо (свободный режим).
Синхронный режим:
В синхронном режиме происходит согласование сигнала положения датчика циклом опроса системы управления. Ошибка рассогласования минимальна, задержка соответствует времени цикла измеряемой длины.

Датчики линейного положения MSI: принцип работы

Магнитострикционные датчики линейного положения основаны на физическом явлении магнитострикции — изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Принцип работы датчика включает:

1. Позиционный магнит, перемещаемый вдоль стержня (или профиля) датчика, создаёт магнитное поле над участком волновода в координате своего положения. 
2. Для определения положения позиционного магнита, электроника датчика посылает импульс тока по волноводу. 
3. Импульс генерирует радиальное магнитное поле вдоль всего волновода. 
4. Взаимодействие магнитных полей волновода и подвижного позиционного магнита порождает импульс деформации кручения (скручивание волновода) в точке взаимодействия полей (в координате позиционного магнита), в результате чего по волноводу проходит импульс в виде ультразвуковой волны. 
5. Когда волна достигает чувствительного элемента (ультразвукового детектора) на конце волновода, то она преобразуется в электрический сигнал и электроника датчика рассчитывает координату, засекая время от подачи импульса тока до возврата ультразвукового импульса в детектор.

Подключение датчика линейного положения MSI-H с протоколом SSI к контроллеру

Преимущества использования интерфейса SSI в магнитострикционных датчиках линейного положения MSI

Использование интерфейса SSI в системах линейного позиционирования даёт инженерам сразу несколько ощутимых преимуществ — особенно в промышленной автоматике, где важна как точность, так и устойчивость к внешним воздействиям.

1. Абсолютное позиционирование без дополнительной инициализации

SSI позволяет получать абсолютное значение положения сразу после включения системы — без необходимости “проезжать” калибровочные метки или нулевую точку. Это особенно важно для критичных приложений, где простой недопустим.

2. Высокая точность и разрешение

Датчики MSI с SSI-интерфейсом могут передавать данные с разрешением до 1 мкм. Интерфейс синхронный, а значит, исключаются ошибки, связанные с дрожанием сигнала и расхождением тактов, что критично при работе на высоких скоростях.

3. Электрическая помехоустойчивость

Благодаря использованию дифференциальных линий (RS-422), SSI-интерфейс стабильно работает даже в условиях сильных ЭМ-помех: на заводах, вблизи силового оборудования, частотных преобразователей и двигателей. Это позволяет прокладывать кабель на десятки метров без активных усилителей.

4. Простота реализации и отладки

SSI — это «чистый» интерфейс: всего две линии (CLK и DATA), простой протокол, предсказуемое поведение. Его легко интегрировать как в промышленный контроллер, так и в микроконтроллерную систему на стороне заказчика. А для отладки достаточно осциллографа или простого логического анализатора.

Что важно учесть при подключении датчика с интерфейсом SSI

При подключении датчика линейного положения с интерфейсом SSI важно строго соблюдать рекомендации по распиновки и настройке. Ниже — основные моменты, на которые стоит обратить внимание:

• Схема подключения:
  Перед началом работ необходимо ознакомиться со схемой подключения, опубликованной на официальном сайте. Убедитесь, что все провода подключены в точном соответствии с указанной распиновкой.
• Использование собственного кабеля:
  Если для подключения используется собственный кабель с разъёмом, важно при монтаже разъёма тщательно проверить корректность подключения. Ошибки на этом этапе — одна из самых частых причин некорректной работы датчика.
• Настройка ПЛК:
  При подключении датчика к ПЛК рекомендуется свериться с маркировкой на шильде датчика. Используя таблицу конфигуратора на сайте, необходимо правильно задать параметры интерфейса и формат данных в конфигурации ПЛК.
• При выборе кабеля необходимо учитывать условия эксплуатации, которые определяются требованиями заказчика. Например, кабель может подбираться с учётом максимальной рабочей температуры или других технических параметров.

Руководство по подключению и настройке датчика линейного положения с интерфейсом SSI

Что касается настройки контроллеров, то процесс может различаться в зависимости от производителя. Мы уже показали настройку на примере оборудования Siemens. Для контроллеров других брендов базовые параметры останутся аналогичными, но порядок действий может отличаться.

Интерфейс SSI остается одним из наиболее надежных и проверенных временем решений для промышленных применений, где требуется высокая точность, помехоустойчивость и надежность. Его реализация в магнитострикционных датчиках линейного положения позволяет получить систему, отвечающую самым строгим требованиям промышленной автоматизации.

Выбирая датчики с интерфейсом SSI, инженеры получают проверенное решение с четко определенными характеристиками, широкой поддержкой в промышленном оборудовании и возможностью долгосрочной эксплуатации в сложных производственных условиях.