基于BiSS-C协议的编码器接口技术及在伺服驱动系统中的应用

2015-02-20大连光洋科技工程有限公司辽宁116600商怀昊韩基鹏李德爽

金属加工(冷加工) 2015年15期

■大连光洋科技工程有限公司（辽宁　116600）商怀昊韩基鹏肖鹏李德爽

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摘要：本文论述了BiSS-C协议的内容和传输方式，并通过FPGA编程来实现其接口的开发，并在伺服驱动系统中加以验证。

BiSS（Bidirecti on al Synchronous Serial）协议是一种由德国IC-Haus公司提出的新型可自由使用的开放式同步串行通信协议，使用该协议通信波特率可以达到10Mbps，达到RS422接口总线的波特率上限，是其他一些同类常用串行通信协议（如SSI，EnDat，Hiperface，起止式异步协议）的5倍以上。

目前，BiSS协议中BiSS-B运用最为广泛，其中海德汉技术最为成熟，由于海德汉拥有自己的法律团队，在对BiSS-B协议使用过程中，将一部分内容申请专利，破坏了BiSS协议的开放性。欧洲法庭对海德汉BiSS专利性的定局是其他编码器厂商最多可以开放性使用BiSS-B至2013年6月份。鉴于此事件，众多编码器厂商提出了BiSS-C协议。

BiSS - C协议在接口上与BiSS-B完全兼容，BiSS-C接口的特征是双向同步通信。由于其协议设计为全数字连接，保证了通信传输的安全性和可靠性。同时，其对硬件要求小、可大大节省安装和维护的成本。BiSS-C是高速串行协议，适用于需要较高加速度、平稳的速度控制、优异的双向重复性和超强的位置稳定性的动态轴。BiSS-C协议已被广泛地应用于用于高精度位置控制的绝对位置式编码器中。

本文将对BiSS - C协议进行详细的介绍，并将其在基于DSP+FPGA为主要架构的大连光洋科技工程有限公司自主研发的伺服驱动系统中加以验证。

1. BiSS-C接口的连接方式

（1）点对点模式：在点对点配置中，只有一个配有一个或多个从接口（传感器）的设备连接到主控接口上。主控接口通过MA信号线将时钟信号传输到从接口。SL信号线将传感器数据从第一个从接口（First Slave）直接传送回主控接口。在点对点配置中，BiSS-C接口只有两根单向差动信号线，其硬件与BiSS-B 和S S I接口完全兼容。在点对点配置中，最后一个从接口（Last Slave）的输入信号SLI的输入为“0”（见图1）。

（2）总线模式：在总线配置中，所有设备均为链状连接，每一个设备还可包含多个从接口。每个从接口有两个端子（SLO和SLI），主控接口通过MA信号线向所有从接口提供时钟信号，SLO和SLI线以链的形式连接主控接口和所有从接口（见图2）。

图1　BiSS-C协议点对点配置

图2　BiSS-C协议总线配置

第一个从接口（First Slave）是指数据第一个传输到主接口的从接口。它的输出SLO直接连接

到主回路的SL信号线上。主接口的MO控制信号线与最后一个从接口（Last Slave）的输入信号端子SLI相连。

在总线模式配置中，BiSS-C一个主控接口上所连接的从接口的数量是没有限制的，而在BiSS-B的总线模式配置中，一个主控器最多只能连接8个从接口，可见BiSS-C协议比BiSS-B协议具有更好的发展前景。

2. BiSS-C协议通信模式

（1）传感和驱动数据通信：BiSS帧：点对点模式的BiSS帧时序如图3所示，当空闲时，主控接口使MA保持高电平。SL线保持高电平表示从接口已准备就绪。主接口通过开始在MA上传输时钟脉冲来请求位置采集。MA的第二上升沿，从接口把SLO线设为低电平做出响应。完成响应（Ack）周期后，从接口通过SLO线将与时钟同步的数据传输到主接口，当所有数据都传送完毕，Bi SS帧以超时为结束，主接口停下时钟，在超时的时间内MA线的状态代表CDM位。

（2）控制通信：BiSS-C协议通过多个周期的MA时钟信号末尾挂载的CDM位来组成控制帧，从而实现控制通信和寄存器通讯功能，当进行以上两种通信时，控制帧的起始位之前一定要至少持续保持14个CDM=“0”。①命令模式：在控制通信中，一个命令帧以一个开始位（S）和控制选择位(CTS=0)开始，随即发送8位IDS选择从动地址，随后发送CDM指令，并跟随4位CRC校验码。②寄存器模式：从寄存器的读写权限的获得需要设置控制帧的控制选择位（CTS）为“1”；这里，主控接口发送从接口ID（3bit），紧随寄存器地址（7bit）和4bit的CRC校验码，接下来的R和W字节决定了此帧是一个读访问（RW=“10”）还是写访问（RW=“01”）。当进行写访问时，随后紧跟一个起始字节、8个数据字节、4bit的CRC校验码和一个终止位；当进行读访问时，随后紧跟一个起始字节，12个“0”字节和一个终止位。具体时序如图4～图6所示。

图3　BiSS帧（点对点配置）

图4　命令帧

图5　寄存器写模式

图6　寄存器读模式

3. 基于BiSS-C协议的编码器在伺服驱动系统中的验证

（1）硬件平台设计。实验系统的架构如图7所示。实验中所选用Bi SS-C协议编码器为Renishaw的32bit圆光栅编码器，接口电平转换芯片选用TI公司的AM26C31 、AM26C32和SN74LVC244A来实现，FPGA选用ALTERA公司的Cyclone系列EP1C12Q240C8，DSP选用TI公司的TMS320F2812。

本设计将Bi SS-C协议的数据传输通过FPGA实现，图8所示为设计中编码器数据的读写时序，其中CDS位设置为“0”，Position位设置为32bit，CRC校验码为6bit。本设计中为了兼容不同厂家BiSS-C协议编码器，将编码器位置信息位数设为可配置，并且兼容BiSS-B和BiSS-C协议。

（2）实验测试结果。图9所示为BiSS-C协议编码器实际传输波形，其中通道1为MA信号线波形，通道2为SL信号线波形，MA时钟设置为5M，完成一次传输时间为12.5µs。