基于BiSS-C協議的編碼器接口技術及在伺服驅動系統中的應用

■大連光洋科技工程有限公司 （ 遼寧　116600） 商懷昊 韓基鵬 肖 鵬 李德爽

基于BiSS-C協議的編碼器接口技術及在伺服驅動系統中的應用

■大連光洋科技工程有限公司 （ 遼寧116600） 商懷昊 韓基鵬 肖 鵬 李德爽

摘要：本文論述了BiSS-C協議的內容和傳輸方式，并通過FPGA編程來實現其接口的開發，并在伺服驅動系統中加以驗證。

BiSS（Bidirecti on al Synchronous Serial）協議是一種由德國IC-Haus公司提出的新型可自由使用的開放式同步串行通信協議，使用該協議通信波特率可以達到10Mbps，達到RS422接口總線的波特率上限，是其他一些同類常用串行通信協議（如SSI，EnDat，Hiperface，起止式異步協議）的5倍以上。

目前，BiSS協議中BiSS-B運用最為廣泛，其中海德漢技術最為成熟，由于海德漢擁有自己的法律團隊，在對BiSS-B協議使用過程中，將一部分內容申請專利，破壞了BiSS協議的開放性。歐洲法庭對海德漢BiSS專利性的定局是其他編碼器廠商最多可以開放性使用BiSS-B至2013年6月份。鑒于此事件，眾多編碼器廠商提出了BiSS-C協議。

BiSS - C協議在接口上與BiSS-B完全兼容，BiSS-C接口的特征是雙向同步通信。由于其協議設計為全數字連接，保證了通信傳輸的安全性和可靠性。同時，其對硬件要求小、可大大節省安裝和維護的成本。BiSS-C是高速串行協議，適用于需要較高加速度、平穩的速度控制、優異的雙向重復性和超強的位置穩定性的動態軸。BiSS-C協議已被廣泛地應用于用于高精度位置控制的絕對位置式編碼器中。

本文將對BiSS - C協議進行詳細的介紹，并將其在基于DSP+FPGA為主要架構的大連光洋科技工程有限公司自主研發的伺服驅動系統中加以驗證。

1. BiSS-C接口的連接方式

（1）點對點模式：在點對點配置中，只有一個配有一個或多個從接口（傳感器）的設備連接到主控接口上。主控接口通過MA信號線將時鐘信號傳輸到從接口。SL信號線將傳感器數據從第一個從接口（First Slave）直接傳送回主控接口。在點對點配置中，BiSS-C接口只有兩根單向差動信號線，其硬件與BiSS-B 和S S I接口完全兼容。在點對點配置中，最后一個從接口（Last Slave）的輸入信號SLI的輸入為“0”（見圖1）。

（2）總線模式：在總線配置中，所有設備均為鏈狀連接，每一個設備還可包含多個從接口。每個從接口有兩個端子（SLO和SLI），主控接口通過MA信號線向所有從接口提供時鐘信號，SLO和SLI線以鏈的形式連接主控接口和所有從接口（見圖2）。

圖1　BiSS-C協議點對點配置

圖2　BiSS-C協議總線配置

第一個從接口（First Slave）是指數據第一個傳輸到主接口的從接口。它的輸出SLO直接連接

到主回路的SL信號線上。主接口的MO控制信號線與最后一個從接口（Last Slave）的輸入信號端子SLI相連。

在總線模式配置中，BiSS-C一個主控接口上所連接的從接口的數量是沒有限制的，而在BiSS-B的總線模式配置中，一個主控器最多只能連接8個從接口，可見BiSS-C協議比BiSS-B協議具有更好的發展前景。

2. BiSS-C協議通信模式

（1）傳感和驅動數據通信：BiSS幀：點對點模式的BiSS幀時序如圖3所示，當空閑時，主控接口使MA保持高電平。SL線保持高電平表示從接口已準備就緒。主接口通過開始在MA上傳輸時鐘脈沖來請求位置采集。MA的第二上升沿，從接口把SLO線設為低電平做出響應。完成響應（Ack）周期后，從接口通過SLO線將與時鐘同步的數據傳輸到主接口，當所有數據都傳送完畢，Bi SS幀以超時為結束，主接口停下時鐘，在超時的時間內MA線的狀態代表CDM位。

（2） 控制通信：BiSS-C協議通過多個周期的MA時鐘信號末尾掛載的CDM位來組成控制幀，從而實現控制通信和寄存器通訊功能，當進行以上兩種通信時，控制幀的起始位之前一定要至少持續保持14個CDM=“0”。①命令模式：在控制通信中，一個命令幀以一個開始位（S）和控制選擇位(CTS=0)開始，隨即發送8位IDS選擇從動地址，隨后發送CDM指令，并跟隨4位CRC校驗碼。②寄存器模式：從寄存器的讀寫權限的獲得需要設置控制幀的控制選擇位（CTS）為“1”；這里，主控接口發送從接口ID（3bit），緊隨寄存器地址（7bit）和4bit的CRC校驗碼，接下來的R和W字節決定了此幀是一個讀訪問（RW=“10”）還是寫訪問（RW=“01”）。當進行寫訪問時，隨后緊跟一個起始字節、8個數據字節、4bit的CRC校驗碼和一個終止位；當進行讀訪問時，隨后緊跟一個起始字節，12個“0”字節和一個終止位。具體時序如圖4～圖6所示。

圖3　BiSS幀（點對點配置）

圖4　命令幀

圖5　寄存器寫模式

圖6　寄存器讀模式

3. 基于BiSS-C協議的編碼器在伺服驅動系統中的驗證

（1）硬件平臺設計。實驗系統的架構如圖7所示。實驗中所選用Bi SS-C協議編碼器為Renishaw的32bit圓光柵編碼器，接口電平轉換芯片選用TI公司的AM26C31 、AM26C32和SN74LVC244A來實現，FPGA選用ALTERA公司的Cyclone系列EP1C12Q240C8，DSP選用TI公司的TMS320F2812。

本設計將Bi SS-C協議的數據傳輸通過FPGA實現，圖8所示為設計中編碼器數據的讀寫時序，其中CDS位設置為“0”，Position位設置為32bit，CRC校驗碼為6bit。本設計中為了兼容不同廠家BiSS-C協議編碼器，將編碼器位置信息位數設為可配置，并且兼容BiSS-B和BiSS-C協議。

（2）實驗測試結果。圖9所示為BiSS-C協議編碼器實際傳輸波形，其中通道1為MA信號線波形，通道2為SL信號線波形，MA時鐘設置為5M，完成一次傳輸時間為12.5μs。

圖7　硬件系統設計框圖

最后，本實驗采用了大連光洋科技工程有限公司自主研發的GNC62數控系統驅動裝有BiSS-C協議編碼器的電動機，并對系統的隨動誤差進行測量。圖10和圖11所示為采用BiSS-C協議編碼器后的機床位置軸的跟隨誤差，圖10表示給定速度為階躍信號時系

統的隨動誤差，圖11表示為給定速度為正弦信號時系統的隨動誤差。

圖8　點對點模式下編碼器BiSS-C協議接口時序圖

圖9　BiSS-C協議編碼器實際傳輸波形

圖10

圖11

4. 結語

基于BiSS-C協議精度高，傳輸速度快（循環發送周期短），安全可靠性高和安裝調試方便等優點，BiSS-C協議具有其他通信協議不可比擬的優勢。未來的工業控制領域內，以BiSS-C協議為代表的高速雙向同步串行編碼器將會有越來越好的發展前景，必將會成為伺服驅動領域編碼器的主流產品。

參考文獻：

[1] BiSS application note：BiSS Interface PROTOCOL DESCRIPTION (C-Mode).

[2] RENISHAW apply innovation：BiSS C-mode （unidirectional）for RESOLUTE encoders.

[3] Clive“MAX” Maxfield. FPGA權威指南[M]. 北京：人民郵電出版社，2012.

收稿日期：（20150312）