Integrazione di encoder assoluti: una panoramica dei protocolli SPI, RS-485 e SSI

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Maggiore produttività in campo industriale, incremento dell’efficienza energetica e stili di vita più intelligenti sono alcuni dei fattori alla base del moltiplicarsi delle opportunità per la mobilità autonoma di tipo elettrico e l’automazione avanzata. Gli encoder possono rivestire un ruolo di primo piano in questo tipo di applicazioni poiché i motori richiedono una rilevazione precisa della posizione e del movimento. A causa delle diverse tipologie di encoder e dei numerosi protocolli di comunicazione disponibili, è necessario scegliere tra le varie opzioni  quella in grado di assicurare i maggiori vantaggi in funzione dei differenti requisiti di progetto.

La scelta dell’encoder più adatto

In funzione della particolare applicazione considerata, può essere richiesto un controllore o un azionamento elettrico a velocità variabile per misurare qualsiasi combinazione di velocità del rotore, posizione e direzione. Un encoder rotativo è sicuramente il dispositivo più adatto  per questo scopo e può essere di tipo incrementale, in grado di fornire la posizione relativamente a un punto di riferimento, oppure di tipo assoluto, capace cioè di fornire un codice univoco per ciascuna posizione del rotore. Sebbene entrambi i tipi di encoder operano sfruttando principi simili, l’encoder assoluto è in grado di determinare la posizione del rotore non appena il sistema viene messo in funzione senza essere stato inizializzato e può monitorare la posizione nel caso l’alimentazione venga a mancare in modo imprevisto.

Il rilevamento della posizione è solitamente eseguito mediante un rilevamento ottico – contando e confrontando le tracce su un disco di codifica – oppure elettrico – rilevando la variazione della capacità quando il disco ruota. La scelta di un encoder capacitivo come a esempio un encoder assoluto della  serie AMT di CUI Devices permette di eliminare gli errori ottici provocati dalla presenza di sporcizia o grasso sul disco di codifica oppure da un’illuminazione non corretta o spuria. La tecnologia capacitiva brevettata da CUI Devices assicura un’elevata affidabilità e richiede una manutenzione molto ridotta.

Protocolli di comunicazione dell’encoder: le opzioni disponibili

Un altro importante aspetto da tenere in considerazione è la modalità di comunicazione dell’encoder con il sistema host e, in particolare, l’interfaccia di comunicazione più adatta allo scopo. I costruttori possono offrire prodotti che dispongono di una vasta gamma di uscite, che spaziano dalle semplici uscite TTL a Industrial Ethernet, come pure uscite conformi a standard proprietari. Le tradizionali interfacce seriali, tra cui RS-485 (TIA/EIA-485), SPI (Serial Peripheral Interface) e SSI (Synchronous Serial Interface) sono senza dubbio le più diffuse e utilizzate. La scelta dei progettisti può essere determinata dal tipo di interfaccia disponibile sul sistema host, così come da numerosi altri fattori come latenza del protocollo, massima velocità di trasferimento dati, distanza di connessione che intercorre tra encoder e host e livello richiesto di immunità al rumore.

Interfaccia SPI (Serial Peripheral Interface)

Questo tipo di interfaccia (Fig. 1) supporta interazioni bidirezionali di tipo sincrono coordinate da un segnale di clock. Una comunicazione sincrona semplifica l’interazione tra master e slave eliminando la necessità di stabilire una velocità di trasmissione dati comune o il numero di bit da trasferire. Le connessioni dati MOSI (Master-Out-Slave-In) e MISO (Master-In-Slave-Out) consentono una comunicazione full-duplex. Un gran numero di controllori host dispone già di una porta SPI integrata. Ciò, abbinato alla possibilità di regolare la velocità di trasmissione dati, rende SPI una connessione estremamente semplice da implementare mediante l’aggiunta di un numero veramente minimo di circuiti di rete.

Il master richiede i dati da un determinato slave attivando il relativo segnale di chip-select e lo slave può rispondere immediatamente. Per questo motivo un encoder con interfaccia SPI, come ad esempio i dispositivi della serie AMT22 di CUI Devices, è in grado di fornire all’host un riscontro relativo alla posizione in tempi estremamente brevi. Un enconder della linea AMT22 fornisce la posizione attuale nel momento in cui viene eseguito l’accesso sulla connessione SPI e può essere istruito per impostare il punto di zero (zero point) o per effettuare il reset dell’encoder tramite comandi estesi. Grazie a una velocità di clock di 2 MHz (max.) i dati possono essere trasferiti nel buffer di ingresso per iniziare la lettura entro 1500 ms.

Fig. 1 – Una tipica configurazione SPI con segnale di clock condiviso, MOSI, MISO e linea di chip- select unica

Le connessioni SPI sono di tipo single-ended (a terminazione singola) e risultano particolarmente indicate per distanze di collegamento inferiori a un metro. In ogni caso, grazie alla possibilità di regolare in maniera dinamica la velocità di trasmissione dati, il dispositivo è in grado di operare anche su distanze più lunghe, ma a una velocità inferiore.

Interfaccia RS-485

Nel caso il cui l’encoder debba essere posizionato a una grande distanza dall’host, oppure l’ambiente operativo sia caratterizzato dalla presenza di rumore elettrico di una certa intensità, il segnalamento differenziale RS-485 può garantire una maggiore immunità agli errori o alle interferenze. Essendo di tipo asincrono, la comunicazione RS-485 non richiede un segnale di clock. E’ comunque necessaria la presenza di un transceiver RS-485 dedicato e la velocità di comunicazione può arrivare a 10 Mbps (o anche superiore) in funzione della distanza.

I dati vengono scambiati su un cavo a doppino intrecciato che deve essere terminato in maniera adeguata utilizzando una resistenza equivalente all’impedenza caratteristica del cavo. A un bus seriale RS-485 (Fig. 2) è possibile collegare più encoder, avendo l’avvertenza di utilizzare connessioni tra il cavo e gli encoder che siano le più corte possibili.

Fig. 2 – Una tipica configurazione RS-485 con un host e molteplici encoder

Gli encoder della serie AMT21 di CUI Devices, progettati esplicitamente per la connessione con un bus seriale RS-485, vengono collegati mediante 4 pin che comprendono la potenza, la massa e due connessioni differenziali. Il protocollo predefinito è 8N1 (8 bit di dati, nessuna parità e 1 bit di stop), dove i due bit inferiori definiscono il comando impartito all’encoder e i rimanenti bit contengono l’indirizzo dell’encoder. Ciò consente a un massimo di 64 encoder di condividere il bus. Quando il controllore inserisce un indirizzo dell’encoder e il comando di lettura dei dati di posizione (o il numero di giri, per un encoder multi-giro) sul bus, l’encoder selezionato risponde nel giro di 3 microsecondi. Sono anche previsti due comandi estesi per impostare la posizione di zero e per resettare l’encoder.

Interfaccia SSI (Synchronous Serial Interface)

Si tratta di un protocollo di comunicazione master-slave sincrono unidirezionale (simplex) che utilizza il segnalamento differenziale e non prevede il segnale di chip-select. Ciò consente di effettuare una connessione semplice e a basso costo con l’encoder, con regolazione dinamica della velocità che si distingue per l’elevata immunità al rumore grazie al collegamento differenziale.

Gli encoder assoluti della serie AMT23 di CUI Devices sfruttano un’interfaccia che differisce dalla SSI tradizionale la quale permette di risparmiare un filo grazie a una comunicazione di tipo single-ended e prevede un collegamento di chip-select per consentire all’host di attivare i singoli encoder presenti sul bus (Fig. 3). A differenza di quel che accade per l’interfaccia SPI, l’host non invia comandi. L’encoder risponde semplicemente inserendo i dati di posizione sul bus, semplificando in tal modo l’interfacciamento tra l’host e gli encoder. L’interfaccia SSI di CUI Devices è compatibile con i controllori SSI standard con funzione di chip-select. Lunghezze di connessione e prestazioni relative all’immunità al rumore sono analoghe a quelle dell’interfaccia SPI.

Fig. 3 – Tipica configurazione SSI a tre fili con clock condiviso, linee di dati e una linea di chip-select unica

Conclusioni

Gli encoder assoluti sviluppati da CUI Devices mettono a disposizione dei progettisti di apparecchiature opzioni flessibili che consentono di scegliere l’encoder più adatto per le loro applicazioni e semplificare l’interconnessione con il sistema host. L’interfaccia differenziale RS-485 è sicuramente la scelta migliore in presenza di lunghe distanze di connessione o laddove è richiesta un’elevata immunità al rumore e garantisce comunque elevate velocità di trasmissione. SPI, dal canto suo, risulta di semplice implementazione e richiede un numero minimo di componenti di rete, oltre a essere supportata in modo nativo da un gran numero di microcontrollori standard di tipo general purpose. SSI, infine, è un’interfaccia di comunicazione sincrona che richiede un ridotto numero di fili e si propone come un’opzione semplice e a basso costo per gli encoder in grado di assicurare un’elevata immunità al rumore grazie al segnalamento differenziale.

Per saperne di più

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Jason Kelly Motion Control Design and Applications Engineer (CUI Devices)

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