Útmutató abszolút jeladók kommunikációs protokolljaihoz

Az automatizálás tovább forradalmasítja a modern világot. Ez túlmutat az ipari automatizáláson és az Ipar 4.0-n, és kiterjed a kereskedelmi és fogyasztói területekre is. Itt játszik szerepet a tágabb értelemben vett dolgok internete azáltal, hogy automatizálja az egykor fizikai, ma már egyre inkább elektromechanikus feladatokat.

Nagyon általánosan fogalmazva, az elektromotorok módot adnak a fizikai világ irányítására, többségük azonban viszonylag egyszerű, ami azt jelenti, hogy jellemzően nem adnak visszajelzést a helyzetükről. Ez különösen igaz az olcsó motorokra, amelyeket egyszerűen csak terhek mozgatására használnak. Meglepő lehet, de ez jelenthet viszonylag kifinomult alkalmazásokat is, például olyan autóüléseket, amelyek a helyzetüket a jármű nyitásához és indításához használt kulcs alapján állítják be automatikusan.

Ezek az alapvető motorok számára jeladók szolgáltatják a szükséges „intelligenciát” ahhoz, hogy tudják, hol van az ülés, és hogyan kell beállítani azt. Míg egyes motorok tartalmaznak jeladókat, azoknál, amelyekből az hiányzik, a motortengely külső részére szerelhető külső jeladók alkalmazhatók. Az ilyen alkalmazásokban különböző típusú jeladókat használnak, amelyek mindegyike a maga módján érzékeli a mozgást. Ide tartozhatnak az optikai jeladók, amelyek fényimpulzusokat számolnak, amikor egy tárgy áthalad egy fényforrás előtt, vagy azoknak az impulzusoknak a számolása, amelyet egy Hall-effektus elvén működő kapcsoló generál, amikor egy mágnes elhalad előtte.

Egyes jeladók, mint például a Same Sky abszolút forgójeladókat tartalmazó AMT sorozatához tartozó eszközök, az optikai jeladók által kínált nagy felbontást ötvözik a mágneses kódolók robusztusságával. Ezt kapacitásváltozás-alapú kódolással érik el, amikoris a jeladóban két lemez található: egy adó és egy vevő, amelyeket egy harmadik, a forgórészhez rögzített lemez választ el egymástól. Ahogy a középső lemez forog, interferál az adó és a vevő között kapacitív úton vezetett jellel. Mivel az interferencia nem függ a mozgástól, a forgórész abszolút helyzete akkor is érzékelhető, amikor az nem mozog.

A szokásos alkalmazásokban a jeladónak a motor fordulatszámát kell érzékelnie, vagy a motor által mozgatott tárgy helyzetét kell értelmeznie a fordulatszám alapján. Szükség lehet a mozgásirány érzékelésére is, és a pozíció jelzésének módja is változhat. Mint fentebb említettük, az abszolút forgójeladók esetében nincs függés az előző pozíció ismeretétől, mivel a forgórész minden számszerűsíthető pozíciójára egyedi értéket ad. Ez hasznos lehet olyan alkalmazásokban, ahol ismerni kell a motor helyzetét egy működési ciklus után, például amikor valaki beszáll egy járműbe.

A forgójeladóknál használt protokollok

Bármilyen módszert is használunk a fizikai mozgás érzékelésére, az információt át kell adni egy vezérlőnek. Ezt egy következő szintű kódolással érik el, amely a nyers impulzusokat egy átviteli protokollra fordítja.

A protokoll kiválasztása és működése a fizikai kapcsolattól függ. Általában a protokoll vagy szinkron, azaz órajelet használ, vagy aszinkron (nincs órajel). Ezenkívül a fizikai kapcsolat lehet közös földpontú kapcsolásos (single-ended), vagy a robusztusság növelése érdekében differenciális. Ez a kombináció négy lehetséges alternatívát eredményez, az ezeket lefedő legnépszerűbb protokollok a következők: Serial Peripheral Interface, azaz SPI (közös földpontú, szinkron), RS-485, más néven TIA/EIA-485 (differenciális, aszinkron) és a Synchronous Serial Interface, azaz SSI (differenciális, szinkron).

Egy-egy adott protokollt mindig több okból választják. Egyrészt így bizonyos fokig biztosítható az interoperabilitás, másrészt növelik a kommunikációs csatorna robusztusságát, különösen az elektromosan zajos alkalmazásokban, például az ipari motorvezérlésben. Ez azonban felveti a kérdést, hogy melyik protokoll a legjobb egy adott alkalmazáshoz. Szerencsére az AMT sorozat olyan modelleket tartalmaz, amelyek mindhárom fent említett protokollal kompatibilisek. Ezért hasznos, ha egy kicsit közelebbről is megvizsgáljuk őket, hogy teljes mértékben megértsük egymáshoz képesti tulajdonságaikat, segítve ezzel a kiválasztási folyamatot.

Az SPI busz

Az SPI szinkron busz, a rajta fennálló egyik kapcsolat egy dedikált órajel (SCLK). A protokoll a master és a slave eszközhöz tartozó dedikált kapcsolatoknak köszönhetően támogatja a teljes duplex működést is. Mivel minden adatcserét az órajel koordinál, a master és a slave eszközök anélkül kommunikálhatnak, hogy előzetesen egyeztetniük kellene az olyan paramétereket, mint az adatátviteli sebesség vagy az üzenet hossza. Minden slave rendelkezik egy chipkiválasztó lábbal (1. ábra), amely lehetővé teszi a master számára annak vezérlését, hogy melyik eszközzel kommunikáljon egy adott időpontban.

Az AMT22 sorozat például rendelkezik egy SPI jeladóval, amely 2 MHz-es órajellel történő működésre konfigurálható. Ez azt jelenti, hogy amikor egy master kéri, a jeladó mindössze 1500 ns alatt képes visszajelezni aktuális pozícióját. Az SPI protokoll bekötési konfigurációja szintén egyszerű, mivel minden eszközön külön csatlakozók vannak a Master Out, Slave In (MOSI) és a Master In, Slave Out (MISO) számára. Ezek a csatlakozók az 1. ábrán látható módon vannak összekötve, míg a master külön csatlakozókkal rendelkezik az egyes chipkiválasztó lábakhoz.

1. ábra: Az SPI protokoll közös csatlakozásokat használ az órajel és az adatok számára, és külön csatlakozásokat a chipkiválasztáshoz. (Kép: Same Sky)

Közös földpontú kapcsolású buszként az SPI protokoll jól alkalmazható viszonylag rövid, legfeljebb 1 méter körüli távolságokra a nagysebességű órajel használata mellett. Ez a távolság meghosszabbítható, ha az órajel sebessége a jelintegritás megőrzése érdekében csökken. Ez rendkívül sokoldalúvá teszi az SPI protokollt, amely így számos alkalmazásban használható.

Az RS-485-ös busz

Ha az alkalmazásban 1 méternél nagyobb távolságok vannak, vagy ha a környezet jelentős mennyiségű elektromos zajt tartalmaz, a differenciális busz jobb választás lehet. Ennek oka, hogy a differenciális jel eleve robusztusabb, mint a közös földpont kapcsolással továbbított jel. Egy másik technika, amely növelheti a robusztusságot, a tiszta órajel szükségességének megszüntetése a buszon. Ez az a pont, ahol az RS-485-ös busz és a hozzá tartozó protokoll megfelelő választás lehet.

Az RS-485-ös interfész csavart érpáros kábelezést használ, és mivel differenciális, a kábel mindkét végén megfelelő lezárásokra van szükség. Mivel azonban aszinkron, nincs dedikált órajel a buszon, annak csak két vezetőre van szüksége (2. ábra), és elérheti a 10 Mbit/s vagy még nagyobb adatátviteli sebességet is. Buszként több csatlakozást is támogat, de mindegyiket le kell zárni és impedanciáját a kábelhez kell igazítani. A teljesítőképesség megőrzése érdekében minden eszközt a lehető legrövidebb kábelhosszúsággal kell a buszhoz csatlakoztatni.

Az AMT21 sorozat az RS-485-ös buszt/protokollt használja, és csak két csatlakozást igényel a csavart érpárhoz, illetve további kettőt a tápellátáshoz. Mivel aszinkron mködésről van szó, minden eszköznek tisztában kell lennie, hogyan van konfigurálva a protokoll. Alapértelmezés szerint az AMT21 sorozat 8N1-et használ, ami 8 paritás nélküli adatbitet és 1 stopbitet jelent. Ebben a konfigurációban a hat legmagasabb helyiértékű bitet használják címként, ami azt jelenti, hogy egy kapcsolat akár 64 külön-külön címezhető eszközt is támogathat. Az utasításhoz a két legkisebb helyiértékű bit használatos. Az AMT21 sorozatú készülék három mikromásodpercen belül képes válaszolni, ha utasítást kap pozícióadatok szolgáltatására. Vannak utasítások a jeladó visszaállítására és a nulla pozíció beállítására is.

2. ábra: Az RS-485-ös protokoll több eszközt támogat egyetlen csavart érpáron (Kép: Same Sky)

Az SSI busz

Az SSI-busz alapkonfigurációjában az RS-485-ös busznak egy olyan differenciális érpárral való kiterjesztésének tekinthető, amely az adatátviteli differenciális érpár mellett egy órajelet is továbbít. Ez azt jelenti, hogy a szabványos SSI interfész két differenciális érpárt, azaz négy csatlakozást használ az órajel és az adatok számára. A Same Sky kifejlesztett egy variációt erre a kialakításra, eltávolítva a differenciális aspektust, hozzáadva viszont egy chipkiválasztó lábat. Ezáltal a lábak száma négyről háromra csökken csatlakozónként, miközben egy dedikált chipkiválasztó láb is rendelkezésre áll (3. ábra).

Ez a változat kompatibilis a chipkiválasztást támogató SSI-vezérlőkkel, és az SPI-hez hasonló teljesítményszintet biztosít. A Same Sky AMT23 sorozatú készülékei ezt az SSI-változatot használják és a 3. ábrán látható módon konfigurálhatók.

3. ábra: Ez az SSI-változat kevesebb vezetéket igényel, de támogatja a chipkiválasztást (Kép: Same Sky)

Összegzés

Az automatizálás használata egyre terjed. Az elektromotorokra szerelhető abszolút jeladók nagyobb fokú vezérelhetőséget biztosítanak az automatizálási alkalmazásokban. A Same Sky által kifejlesztett és az AMT sorozatban elérhető kapacitív kódolási technológia három kommunikációs protokollt használ, amelyek mindegyikének megvannak a maga jellemzői és előnyei. Ez nagyobb tervezési szabadságot biztosít a mérnököknek az alkalmazásukhoz legmegfelelőbb technológia kiválasztásában.