1. 前言
目前，絕對式光柵編碼器廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。在市場需求的推動下，隨著國內(nèi)機(jī)器人控制技術(shù)的提高，工業(yè)機(jī)器人朝著高精度、高速度、高動態(tài)響應(yīng)、多自由度方向和智能化發(fā)展。控制系統(tǒng)將更加依賴對整個運動系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控，需要多個光柵編碼器來監(jiān)測電機(jī)系統(tǒng)的運動數(shù)據(jù)。以往伺服系統(tǒng)與光柵編碼器普遍采用的點對點通信，由于布線繁多、數(shù)據(jù)同步性差，逐漸成為機(jī)器人結(jié)構(gòu)減重、控制優(yōu)化的繞不開的問題。
我公司在設(shè)計機(jī)器人驅(qū)動控制系統(tǒng)時，受限于以下問題，只能允許一組光柵編碼器接口：
1、主控系統(tǒng)采用單控制器控制兩個獨立伺服電機(jī)，要求兩個運動系統(tǒng)嚴(yán)格同步；
2、機(jī)器人內(nèi)部布線空間十分有限，這種情況下仍需兼顧降低結(jié)構(gòu)慣量、控制總體成本、提高抗干擾能力和方便安裝維護(hù)等多個需求；
3、過長的走線增加線延時，不利于對機(jī)器人運動的控制。
針對以上問題，我公司向客戶提供了BiSS-C絕對式光柵編碼器級聯(lián)解決方案，采用單一光柵編碼器接口，對兩個伺服系統(tǒng)光柵編碼器數(shù)據(jù)高速同步讀取，且布線簡單方便，不增加線延時，成功解決了客戶的難題，幫助客戶走向成功。
2編碼器總線的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展，SOC片上系統(tǒng)逐漸普及，控制系統(tǒng)全數(shù)字化已成該領(lǐng)域的發(fā)展方向和研究熱點。編碼器也在向數(shù)字化發(fā)展，從而帶來傳絕對式編碼器和相關(guān)通信總線的技術(shù)進(jìn)步。由于編碼器在運動控制領(lǐng)域應(yīng)用最多，編碼器總線要滿足運動控制器對精度、分辨率、響應(yīng)速度的要求，應(yīng)包括如下幾個特征：
1、 高速通信
2、 時延固定
3、 數(shù)據(jù)診斷
4、 雙向通信
5、 低成本
高速通信有助于提高響應(yīng)速度；編碼器的精度和分辨率決定了控制系統(tǒng)的精度，時延是影響編碼器精度的重要因素。運動控制器發(fā)出 “讀指令”的時刻到編碼器開始采樣這段時間理想情況下應(yīng)是是固定的。這個時延越小，編碼器的編碼值的物理意義越準(zhǔn)確。從而有利于伺服控制器的算法調(diào)節(jié)。
試想利用CAN總線實現(xiàn)編碼器通信的情況。首先，伺服控制器發(fā)出一個CAN通信幀；然后，編碼器從CAN通信幀提取出“讀指令”；最后，編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并回傳數(shù)據(jù)。這樣的采樣滯后是多長時間，時長是固定的么？作為對比， BiSS在MA（MA是主機(jī)發(fā)出的時鐘）的第一上升沿采樣數(shù)據(jù)，理論上是沒有延遲的。
可以說，通用現(xiàn)場總線目前還不適合高速編碼器通信。專門用于高速數(shù)據(jù)通信的傳感器總線大都是編碼器廠商開發(fā)，有很強(qiáng)的封閉性。比較有代表性的總線通信協(xié)議有EnDat2.2、Hiperface、SSI、NRZ等等。BiSS是國際通用協(xié)議且協(xié)議開放。
3 BiSS通信協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)特征
1、 二線串行同步數(shù)據(jù)總線，采用RS422接口，波特率達(dá)到10Mbit/s；采用LVDS接口，波特率 > 10Mbit/s，這反映了BiSS有高的響應(yīng)速度；
2、 通信效率高，每10uS傳輸超過64個比特，有效負(fù)載率大于80%。這反映出BiSS能承載高分辨率編碼器數(shù)據(jù)；
3、線路時分復(fù)用，包括每個通信周期傳輸一幀的數(shù)據(jù)通信信道和傳輸一個幀位的寄存器通信信道。其中，寄存器通信和數(shù)據(jù)通信完全獨立，互不干涉。對于不需要寄存器通信的應(yīng)用場合，可以使用BiSS-C Unidirectional版本。這個版本的協(xié)議沒有寄存器通信。
這反映了采用BiSS的控制系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性和便利性。
4、多種安全機(jī)制確保數(shù)據(jù)可靠，BiSS的延遲補償技術(shù)能補償傳輸線帶來的信號延遲，采用兩組CRC生成多項式分別對傳感器數(shù)據(jù)與寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。BiSS協(xié)議幀還包括一位報警位和一位錯誤位，CRC生成多項式可自定義。6位CRC能滿足大多數(shù)應(yīng)用，對于高安全場合（例如需要滿足歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)的場合），BiSS可以使用16位CRC。
這反映了BiSS傳輸更可靠，采用BiSS的控制系統(tǒng)更可靠。
5、數(shù)據(jù)同步，BiSS利用時鐘信號同步傳感器數(shù)據(jù)，傳感器在第一個時鐘脈沖到來時進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，每一幀到達(dá)后續(xù)電子設(shè)備的數(shù)據(jù)其傳輸延遲都是相同的，方便后續(xù)電子設(shè)備進(jìn)行時延補償，特別適合電機(jī)控制等對時間位置關(guān)系要求苛刻的應(yīng)用場合。
這反映BiSS對于編碼器精度的影響很小，有助于提高控制系統(tǒng)的高速特性。
6、組網(wǎng)能力，通過BiSS可以構(gòu)成單總線傳感器環(huán)網(wǎng)，一個通信周期采集全部傳感數(shù)據(jù)，并且信號采集是同步的。
這反映BiSS的擴(kuò)展性和前瞻性。
7、即插即用，BiSS支持從寄存器讀出編碼器參數(shù)，來配置數(shù)據(jù)通信。凡是支持BiSS標(biāo)準(zhǔn)EDS和Profile的編碼器和控制系統(tǒng)都可以直接通信，無需修改任何程序。
這反映了BiSS高度的開放性和兼容性。
4 BiSS通信協(xié)議的基本內(nèi)容
1、組網(wǎng)方式
圖1是BiSS的基本組網(wǎng)方式，叫point-to-point方式。后續(xù)電子設(shè)備（圖中為PLC），通過差分信號向傳感器提供時鐘，傳感器同步地通過差分信號向后續(xù)電子設(shè)備發(fā)出傳感數(shù)據(jù)。在BiSS協(xié)議中后續(xù)電子設(shè)備被稱為Master，傳感器被稱為Slave。在point-to-point方式下，Master可以接收Slave的數(shù)據(jù)，同時與Slave進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。
圖1 point-to-point組網(wǎng)
圖2 是BiSS的多從機(jī)組網(wǎng)方式，叫Multi-slave Networking。Master在一個周期可以內(nèi)完成與多個Slave之間的通信。所有的設(shè)備按照菊花鏈?zhǔn)孜策B接，每個Slave有兩個端口，分別用于接收前端信號和向后端發(fā)送信號。這是一種類似流水線的工作方式，每個Slave接收上一個Slave的數(shù)據(jù)放在自己的發(fā)送隊列隊尾，同時將自身的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)出。整個通信由Master發(fā)出的時鐘信號進(jìn)行同步。Master通過MO信號將Actuator數(shù)據(jù)串行地移入到每個Slave，同時通過SL信號依次接收每個Slave的數(shù)據(jù)。
圖2 Multi-slave Networking組網(wǎng)
2、BiSS的幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信
圖3 描繪了point-to-point組網(wǎng)時的BiSS通信幀。MA由Master發(fā)出用于驅(qū)動通信，SL是Slave發(fā)出的數(shù)據(jù)信號。完成1個BiSS通信幀表示Master收到1幀數(shù)據(jù)。
圖3 point-to-point組網(wǎng)的BiSS幀結(jié)構(gòu)
圖4描繪了Multi-slave Networking組網(wǎng)的BiSS通信幀，對于每一個Slave而言，不但要發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，而且要接收并轉(zhuǎn)發(fā)前一個Slave發(fā)過來的數(shù)據(jù)。限于篇幅，不詳述Multi-slave Networking組網(wǎng)時的數(shù)據(jù)通信，有興趣的讀者可以閱讀BiSS-C-protocal C5版了解更多內(nèi)容。
圖4 Multi-slave Networking組網(wǎng)的BiSS幀結(jié)構(gòu)
BiSS通信過程可以描述為如下幾個狀態(tài)的切換：IDLE（空閑），Start Frame（幀開始），Tranmission（發(fā)送），Timeout（超時）。
IDLE，空閑狀態(tài)；BiSS通信空閑，MA，SL保存常高。
Start Frame，開始幀通信：MA發(fā)送時鐘，在MA第一個上升沿，Slave鎖存?zhèn)鞲衅鳡顟B(tài)。在MA第二個上升沿，編碼器將SL拉低，用于應(yīng)答Master的通信請求。
理想狀態(tài)下，SL拉低與MA第二上升沿的時延很小，在實際系統(tǒng)中，由于長線延遲、信號整形、濾波以及信號傳遞通過多級門電路等因素的綜合作用，SL相對MA信號存在一定的相移，造成SL拉低滯后MA第二上升沿一段時間，這個時間被稱為line-delay線路延遲，如果SL信號采樣電路不能修正這個延遲，那么總線的通信距離和通信速率都要降低，以保證SL信號被可靠地采樣。BiSS規(guī)定每個通信幀發(fā)起時都要檢測一次line-delay，并加以修正。從而確保BiSS通信波特率可以達(dá)到10Mbit/s。
在line-delay期間，MA持續(xù)輸出脈沖。
Tranmission，（發(fā)送）：當(dāng)SL信號從常高拉低后維持一段時間。這段時間叫ACK，表示Slave響應(yīng)了MA信號，正在進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。通常ACK維持0.1us到8us之間，這與Slave數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒有關(guān)，對于特定的Slave，其ACK的長度是基本上是固定的。ACK期間MA持續(xù)輸出脈沖。當(dāng)SL發(fā)送1個BIT的START位（常‘1’），表示Slave數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。開始數(shù)據(jù)發(fā)送。
SL會順次發(fā)1個BIT的CDS信號，1個單周期字段（SCD）；BiSS規(guī)定單周期字段長度要大于4個BIT，小于64個BIT。對于特定應(yīng)用，字段長度由Slave廠商規(guī)定（例如：禹衡公司多圈編碼器的單周期位域包括16個BIT的多圈計數(shù)、17個BIT的單圈位置，2個BIT的錯誤告警和6個BIT的CRC校驗）。這個期間，MA持續(xù)輸出脈沖。
Timeout，（超時）：當(dāng)SCD發(fā)出完成后，SL維持0.5~40us的低電平，這個時間段被稱為Timeout，對于特定的應(yīng)用，Timeout由Slave廠商規(guī)定。MA在Timeout期間發(fā)送CDM信號，該信號一直維持到SL被拉高，SL被拉高后，本次通信完全結(jié)束。
3、BiSS的寄存器通信
CDM和CDS是Master和Slave進(jìn)行寄存器通信的信號。當(dāng)Master與Slave進(jìn)行個多個周期的數(shù)據(jù)通信后，Slave收到的Master發(fā)送的CDM序列和Master接收的CDS序列構(gòu)成了BiSS寄存器通信幀，如下圖5所示。
圖5多個BiSS幀構(gòu)成的寄存器通信序列
圖6、圖7描述了BiSS寄存器通信讀寫時序。通過時序圖，可以了解BiSS可以與編碼器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換。BiSS的寄存器通信有CRC校驗，和讀回校驗（針對寫時序）。
BiSS的寄存器通信占用帶寬很少，對比EnData2.2和NRZ等有優(yōu)勢。這是由于伺服控制器初始化時讀編碼器參數(shù)情況多，正常工作時用戶通常只關(guān)注錯誤報警信息，BiSS將錯誤報警信息放在實時性高的數(shù)據(jù)通信中，把耗時的寄存器通信用CDS和CDM實現(xiàn)，這種根據(jù)數(shù)據(jù)實時性設(shè)計不同的通信速率的方法，能夠大幅節(jié)約通信帶寬，有效降低通信時延。所以，使用BiSS編碼器能帶來更好的控制效果。關(guān)于BiSS寄存器通信的細(xì)節(jié)，限于篇幅不再說明，有興趣的讀者請參閱BiSS技術(shù)筆記BiSS_AN11_appnote_A2en
5 BiSS通信協(xié)議的實現(xiàn)方法
1、 硬件解碼
對于采用硬件解碼的用戶，可以根據(jù)需要選擇IC-HAUS提供的解碼芯片，或者采用IC-HAUS提供的IP軟核進(jìn)行解碼。也可以選擇帶有IP硬核的MCU。如果想利用IC-HAUS提供的IP軟核實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和寄存器兩種功能，需采用FPGA解碼。FPGA資源數(shù)需大于1300個LE（將BiSS與MCU的接口設(shè)置為SPI時的編譯的結(jié)果）或等效資源數(shù)。如果僅想實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，可以采用CPLD解碼。CPLD資源數(shù)需大于96個LE（增加時鐘分頻電路和SPI接口后需150個以上的LE）或等效資源數(shù)。自行設(shè)計的難點是線延遲的處理，對于外引線很短或無外引線的應(yīng)用，線延遲的變化很小，這時可以設(shè)計延遲固定的采樣時鐘，否則每個周期要進(jìn)行一次線延遲補償。
2、 軟件解碼
用戶可以通過IO模擬的BiSS時序，但這種方法不推薦使用。推薦使用MCU的硬件外設(shè)解碼，這樣能夠?qū)iSS通信速度設(shè)定很高。而且節(jié)約了外部邏輯電路的成本，對于很多應(yīng)用，節(jié)約的成本十分可觀，同時對于產(chǎn)品的系列化有優(yōu)勢。一個功能強(qiáng)大的通用串行解碼模塊，采用不同的解碼程序應(yīng)該能夠支持多種串行通信協(xié)議、全雙工、半雙工等等。例如：對于BiSS可以利用SPI的SCK可以用來模擬MA，MISO可以模擬SL。這樣用需考慮三個問題：
1、 MCU硬件模塊的FIFO深度。有些MCU，外設(shè)的SPI寄存器長度是固定的，完成一幀BiSS通信需通信多次，中斷多次。結(jié)果造成MA的波形不連續(xù)。這可能帶來問題，造成通信出錯。
2、 MCU硬件模塊是否具備線延遲補償?shù)哪芰Α＞哂芯€延遲補償能力的外設(shè)，可以應(yīng)對實際應(yīng)用環(huán)境的變化帶來的影響，可以是需求的變化，環(huán)境的變化，線路老化等等。具有線延遲的系統(tǒng)，其可靠性和適應(yīng)性比沒有線延遲補償?shù)南到y(tǒng)高得多。
3、 CRC解碼能力，CRC校驗對MCU的處理能力提出了要求。
使用MCU進(jìn)行解碼要充分考察不同MCU外設(shè)的特點和處理能力，以及芯片廠家技術(shù)支持的力度，是否有成熟的設(shè)計等等。
3、 混合解碼
如果既想利用硬件解碼，又想降低成本。可以使用混合解碼的方法。例如用FPGA或CPLD的部分資源完成數(shù)據(jù)通信，將CDM和CDS信號引出交給MCU處理。這種方案是一種過渡性質(zhì)的方案，同時也是很實用的做法。需要注意的是,CDM必須在通信發(fā)起前準(zhǔn)備好。隨著MCU和FPGA的發(fā)展。這種方案會逐漸淘汰，以降低系統(tǒng)之間的耦合性。
4、 BiSS通信幀實例
圖8給出了BiSS通信幀的實例，幫助讀者直觀地了解BiSS通信過程。
圖8：BiSS通信幀實例
6 BiSS-C絕對式級聯(lián)光柵編碼器組網(wǎng)方式
圖1 是BiSS-C絕對式級聯(lián)光柵編碼器，采用級聯(lián)方式進(jìn)行組網(wǎng)，稱為Multi-slave Networking。Master（后續(xù)電子設(shè)備，主控模塊）在一個周期可以內(nèi)完成與多個Slave（光柵編碼器）之間的通信。所有的設(shè)備按照菊花鏈?zhǔn)孜策B接，每個Slave有兩個端口，分別用于接收前端信號和向后端發(fā)送信號。這是一種類似流水線的工作方式，每個Slave接收上一個Slave的數(shù)據(jù)放在自己的發(fā)送隊列隊尾，同時將自身的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)出。整個通信由Master發(fā)出的時鐘信號進(jìn)行同步。Master通過MO信號將Actuator數(shù)據(jù)串行地移入到每個Slave，同時通過SL信號依次接收每個Slave的數(shù)據(jù)。
圖1 Multi-slave Networking組網(wǎng)
圖2描繪了Multi-slave Networking組網(wǎng)的BiSS通信幀，對于每一個Slave而言，不但要發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，而且要接收并轉(zhuǎn)發(fā)前一個Slave發(fā)過來的數(shù)據(jù)。以Slave3為例，在收到第二個MA上升沿后，其輸出SLO3拉低，響應(yīng)MA，此位應(yīng)答（ACK）階段；經(jīng)過時間T（光柵編碼器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時間），SLO3拉高，表示輸出數(shù)據(jù)（Start）；一個MA周期后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，接收MA輸出的數(shù)據(jù)（MAO）。SLO3先發(fā)自身采樣到的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)發(fā)收到的MAO值，直到MA不再輸出時鐘。
圖2 Multi-slave Networking組網(wǎng)的BiSS幀結(jié)構(gòu)
7 BiSS-C光柵編碼器2級級聯(lián)結(jié)構(gòu)
客戶提出是應(yīng)用場景是在不改變原來驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和架構(gòu)前提下，新增一個或多個光柵編碼器對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行采集。針對客戶的需求，我公司提出了兩個光柵編碼器級聯(lián)架構(gòu)的解決方案。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 BISS-C光柵編碼器2級級聯(lián)結(jié)構(gòu)圖
圖3中Master是驅(qū)動控制系統(tǒng)，為光柵編碼器1提供電源（VCC，BAT）、控制時鐘（MA）及接收光柵編碼器1的數(shù)據(jù)（SLO），與點對點組網(wǎng)方式下接口完全一致。光柵編碼器1為光柵編碼器2提供電源（VCC，BAT）、控制時鐘（MA）及接收光柵編碼器2的數(shù)據(jù)（SLO），可以認(rèn)為光柵編碼器2為光柵編碼器1的slave。
從上述分析可以看出，除了最高一級的光柵編碼器，其他光柵編碼器不與master相連，且若新增一個光柵編碼器級聯(lián)，只需將其連接在最后一級光柵編碼器的輸出端，完全不改變其他光柵編碼器的走線與連接，這就極大的方便了整個驅(qū)動系統(tǒng)的布局與走線。
8 通信過程
圖4展示了BiSS-C級聯(lián)光柵編碼器的通信過程。Master為伺服驅(qū)動控制器，芯片為Actel IGLOO系列AGL600V5，256管腳。光柵編碼器1為一33位多圈絕對式光柵編碼器，光柵編碼器2為17為單圈絕對式光柵編碼器。Master每隔1ms讀取一次數(shù)據(jù)。示波器抓取的光柵編碼器靜態(tài)數(shù)據(jù)如圖4所示。黃色線為Master發(fā)出的控制時鐘（MA），藍(lán)色線為光柵編碼器1數(shù)據(jù)輸出端口輸出時序(SLO1)，紅色線為光柵編碼器2數(shù)據(jù)輸出端口輸出時序(SLO2)。從圖4可以看出，在驅(qū)動器發(fā)出控制時鐘后，光柵編碼器1首先輸出自身數(shù)據(jù)（33位數(shù)據(jù)，到a光標(biāo)傳輸完成），接著傳輸接收到的光柵編碼器2數(shù)據(jù)（17位，到b光標(biāo)處傳輸完成），數(shù)據(jù)傳輸完成后一直拉低直到MA時鐘取消。
9 結(jié)束語
BiSS-C協(xié)議通信速度快，通信效率高，支持線路時分復(fù)用，可全雙工通訊，延時小且固定，極大簡化了線延時補償算法。BiSS-C采用多種CRC校驗機(jī)制確保數(shù)據(jù)可靠，傳感器數(shù)據(jù)與寄存器數(shù)據(jù)分開進(jìn)行校驗，使得BiSS-C傳輸更可靠，多達(dá)16位CRC足以應(yīng)付絕大多數(shù)場合。BiSS-C協(xié)議多種組網(wǎng)方式極大豐富了其應(yīng)用領(lǐng)域，其BUS級聯(lián)組網(wǎng)方式因以下優(yōu)勢得以在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域廣泛被應(yīng)用：
1、減少了主控系統(tǒng)接口數(shù)量；
2、降低了主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析復(fù)雜度；
3、簡單方便的組網(wǎng)方式降低布線難度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)；
4、固定的線延時方便了控制器補償設(shè)計。
由于上述優(yōu)勢BiSS-C絕對式級聯(lián)光柵編碼器級聯(lián)解決方案在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛。
