מדריך לפרוטוקולים עבור מקודדים אבסולוטיים

האוטומציה ממשיכה לחולל מהפכה בעולם המודרני. זה הולך מעבר לאוטומציה התעשייתית ול- Industry 4.0 וכולל את התחומים המסחריים ולצרכנים. זה המקום בו ה- IoT הרחב יותר משפיע על ידי אוטומציה של משימות שהיו פעם פיזיות, אך כעת הן הולכות ונעשות יותר ויותר אלקטרומכניות.

במונחים כלליים מאוד, מנועים חשמליים מספקים דרך לבקרת העולם הפיזי. עם זאת, רוב המנועים החשמליים הם בסיסיים יחסית, כלומר הם בדרך כלל לא מספקים משוב על מיקומם. זה נכון במיוחד עבור מנועים בעלות נמוכה המשמשים פשוט להנעת עומס. זה אולי מפתיע, אך זה יכול לכלול יישומים מתוחכמים יחסית, כמו מושבי רכב המתאימים אוטומטית את מיקומם על סמך המפתח המשמש לפתיחת הרכב ולהפעלתו.

האופן שבו מנועים בסיסיים אלו מקבלים את ה"חוכמה "הדרושה כדי לדעת היכן המושב ואיך להתאים אותו הוא באמצעות אנקודרים. בעוד שמנועים מסוימים כוללים מקודדים, אלה שאינם כאלו יכולים להשתמש במקודדים חיצוניים המותאמים על החלק החיצוני של ציר המנוע. ישנם סוגים שונים של מקודדים המשמשים ביישומים אלה, כל אחד עם דרך משלו לגלות תנועה. זה עשוי לכלול מקודדים אופטיים הסופרים פולסי אור כאשר אובייקט עובר מול מקור אור, או שספירת הפולסים הנוצרים על ידי מתג אפקט Hall כאשר מגנט עובר אותו.

מקודדים מסוימים, כמו סדרת AMT של מקודדים אבסולוטיים מבית Same Sky, משלבים את הרזולוציה הגבוהה שמציע מקודד אופטי עם החוסן של מקודד מגנטי. הם עושים זאת באמצעות קידוד קיבולי, המשתמש בשתי לוחיות: משדר ומקלט, המופרדים על ידי לוחית שלישית המוצמדת לרוטור. כאשר הלוחית המרכזית מסתובבת, היא מפריעה לאות המולך קיבולית בין המשדר למקלט. מכיוון שההפרעה אינה תלויה בתנועה, ניתן לגלות את המיקום האבסולוטי של לוחית הרוטור גם כאשר היא לא נעה.

יישומים נפוצים דורשים מהמקודד לגלות את מהירות המנוע או לפענח את המיקום של כל תנועה של המנוע על סמך מספר הסיבובים. יתכן שיהיה צורך לגלות את כיוון התנועה. גם אופן הדיווח על המיקום יכול להשתנות. כאמור לעיל, מקודד סיבובי אבסולוטי אינו תלוי בידיעת המיקום הקודם, מכיוון שהוא מספק ערך ייחודי לכל מיקום ניתן-לכימות של הרוטור. זה יכול להיות שימושי ביישומים שצריכים לדעת את מיקום המנוע לאחר שינויים מחזוריים, כמו למשל כאשר מישהו נכנס לרכב.

פרוטוקולים המשמשים במקודדים סיבוביים

לא משנה באיזו שיטה משתמשים בכדי לקלוט את התנועה הפיזית, המידע צריך להיות מועבר לבקר. זה מושג על ידי רמה אחרת של קידוד, הלוקח את הפולסים הגולמיים ומתרגם אותם לפרוטוקול שידור.

החיבור הפיזי משפיע על בחירת הפרוטוקול ואופן פעולתו. באופן כללי, הפרוטוקול יהיה סינכרוני, כלומר כזה המשתמש באות שעון, או אסינכרוני (ללא אות שעון). בנוסף, החיבור הפיזי יכול להיות קצה-יחיד (Single-Ended), או, כדי לספק חוסן נוסף, דיפרנציאלי. צירוף זה מביא לארבע חלופות אפשריות, והפרוטוקולים הפופולריים ביותר המכסים אותן הם ממשק היקפי טורי, או SPI (קצה-יחיד, סינכרוני), RS-485, הידוע גם בשם TIA/EIA-485 (דיפרנציאלי, אסינכרוני), וממשק טורי סינכרוני, או SSI (דיפרנציאלי, סינכרוני).

הפרוטוקולים נבחרים מסיבות רבות. הם מספקים רמה של יכולת תפעוליות-בינית (Interoperability), אך הם גם מגדילים את החוסן של ערוץ התקשורת, במיוחד ביישומים רועשים מבחינה חשמלית, כגון בקרת מנועים תעשייתיים. אך זה אכן מעלה את השאלה איזה פרוטוקול הכי מתאים עבור יישום נתון. למרבה המזל, סדרת AMT כוללת דגמים המספקים את כל שלושת הפרוטוקולים שהוזכרו לעיל. לכן, כדאי לבחון כל אחד מהם קצת יותר מקרוב כדי להבין היטב את התכונות היחסיות שלהם על מנת לסייע בתהליך הבחירה.

אפיק SPI

כאפיק סינכרוני, אחד החיבורים באפיק SPI הוא אות שעון ייעודי (SCLK). הפרוטוקול תומך גם בהפעלת דופלקס-מלא הודות לחיבורים ייעודיים להתקן השולט ,מאסטר (Master‏),ולהתקן הנשלט, סלייב (Slave‏). מכיוון שכל החלפות הנתונים מתוזמנות על ידי אות השעון, המאסטר והסלייב יכולים לתקשר מבלי לשאת ולתת תחילה על פרמטרים כגון קצב הנתונים או אורך ההודעה. כל סלייב יכלול פין בחירת שבב (איור 1), המאפשר למאסטר לבקר את ההתקן שאיתו הוא מתקשר בכל זמן נתון.

כדוגמה, סדרת AMT22 כוללת מקודד SPI שניתן להגדיר לפעולה עם אות שעון של MHz‏ 2‏. המשמעות היא שכאשר מאסטר דורש זאת, המקודד יכול להגיב עם מיקומו הנוכחי בתוך ns‏ 1,500‏ בלבד. תצורת החיווט עבור פרוטוקול SPI גם היא פשוטה עם חיבורים ייעודיים עבור Master Out, Slave In‏ (MOSI‏), ו- Master In, Slave Out‏ (MISO‏) על כל התקן. כל אחד מחיבורים אלה מחווט יחד, כמוצג באיור 1, ואילו למאסטר יש חיבורים ייעודיים עבור פיני בחירת שבב נפרדים.

איור 1: פרוטוקול SPI משתמש בחיבורים משותפים לשעון ולנתונים, עם חיבורים ייעודיים עבור בחירת שבב (מקור התמונה: Same Sky)

כאפיק קצה-יחיד (Single-Ended), פרוטוקול SPI מתאים היטב עבור חיבורים למרחקים קצרים יחסית של כמטר אחד ומטה אם משתמשים בשעון במהירות גבוהה. ניתן להאריך מרחק זה אם מאיטים את מהירות השעון, כדי לשמור על תקינות האות. זה הופך את פרוטוקול SPI לוורסאטילי ביותר ומתאים למספר יישומים.

אפיק RS-485

אם היישום כולל מרחקים גדולים יותר ממטר אחד, או אם הסביבה מציגה רמה משמעותית של רעש חשמלי, אפיק דיפרנציאלי עשוי להיות אפשרות טובה יותר. הסיבה לכך היא שאות דיפרנציאלי הוא מטבעו חסון יותר לעומת אות קצה-יחיד. טכניקה נוספת שיכולה להגביר את החוסן היא לבטל את הצורך באות שעון נקי על האפיק. השילוב של אפיק RS-485 והפרוטוקול המשויך יכול להיות בחירה מתאימה.

ממשק RS-485 משתמש בכבל של זוג חוטים מפותל, ומכיוון שהוא דיפרנציאלי, הוא זקוק לסיומות מתאימות בכל קצה של הכבל. אך מכיוון שהוא אסינכרוני, אין אות שעון ייעודי, ולכן הוא זקוק לשני מוליכים בלבד (איור 2), והוא יכול להגיע לקצב נתונים של Mbit/s‏ 10‏ או אף יותר. כאפיק, הוא תומך במספר חיבורים, אך כל אחד מהם חייב להיות עם סיומת עם אימפדנס-מתואם. כדי לשמור על הביצועים, יש לחבר כל התקן לאפיק באמצעות כבל באורך הקצר ביותר.

סדרת AMT21 משתמשת באפיק/פרוטוקול RS-485, הדורש שני חיבורים בלבד עבור זוג חוטים מפותל ושניים נוספים עבור הספקת-הכוח. מכיוון שהוא אסינכרוני, כל ההתקנים צריכים להיות מודעים לאופן שבו מוגדר הפרוטוקול, וכברירת מחדל, סדרת AMT21 משתמשת ב- 8N1, כלומר 8 ביטים נתונים, ללא ביט זוגיות, וביט עצירה אחד. בתצורה זו, ששת הביטים המשמעותיים ביותר משמשים ככתובת, כלומר חיבור אחד יכול לתמוך בעד 64 התקנים הניתנים לגישה בנפרד. שני הביטים הפחות משמעותיים משמשים עבור הפקודות. כאשר מועברת הפקודה לספק נתוני מיקום, סדרת AMT21‏ יכולה להגיב בתוך שלוש מיקרו-שניות. ישנן גם פקודות לאיפוס המקודד ולהגדרת מיקום האפס.

איור 2: פרוטוקול RS-485 תומך במספר התקנים על זוג חוטים מפותל אחד (מקור התמונה: Same Sky)

אפיק SSI

בתצורתו הסטנדרטית ניתן לראות את אפיק SSI כהרחבה של אפיק RS-485 באמצעות תוספת של זוג דיפרנציאלי הנושא אות שעון לצד זוג דיפרנציאלי עבור הנתונים. המשמעות היא שממשק SSI הסטנדרטי משתמש בשני זוגות דיפרנציאליים, או ארבעה חיבורים, עבור השעון והנתונים. חברת Same Sky פיתחה גירסה של תכן זה, על ידי הסרת ההיבט הדיפרנציאלי אך הוספת פין בחירת שבב. זה מקטין את מספר הפינים מארבעה לשלושה לכל חיבור תוך הוספת הנוחות של בחירת-שבב ייעודית (איור 3). 

גירסה זו תואמת לבקרי SSI התומכים בבחירת שבב ומספקים רמות ביצוע הדומות ל- SPI. סדרת AMT23‏ מבית Same Sky משתמשת בגירסת SSI זו והיא ניתנת להגדרה כפי שמוצג באיור 3.

איור 3: גירסת SSI זו דורשת פחות חוטים אך תומכת בבחירת שבב (מקור התמונה: התקני CUI)

סיכום

השימוש באוטומציה רק הולך וגדל. מקודדים אבסולוטיים, שתוכננו להתאמה למנועים חשמליים, מספקים בקרה טובה יותר ביישומי אוטומציה. טכנולוגיית הקידוד הקיבולית שפותחה על ידי חברת Same Sky וזמינה בסדרת AMT‏ משתמשת בשלושה פרוטוקולי תקשורת, שלכל אחד מהם יש את המאפיינים והיתרונות משלו. זה נותן למהנדסים חופש תכנון רב יותר בבחירת הטכנולוגיה הטובה ביותר עבור היישום שלהם.