동기 시리얼 인터페이스

Synchronous Serial Interface

동기 시리얼 인터페이스(SSI)는 마스터(예: 컨트롤러)와 슬레이브(예: 센서) 사이의 산업 애플리케이션에 널리 사용되는 시리얼 인터페이스 표준이다.SSI는 RS-422[1] 표준에 기반하고 있으며 다양한 하드웨어 플랫폼에 구현된 것 외에도 프로토콜 효율이 높아 센서 제조업체들 사이에서 큰 인기를 끌고 있다.SSI는 원래 Max Stegmann GmbH가 절대 인코더의 위치 데이터를 전송하기 위해 1984년에 개발했다. 이러한 이유로 일부 서보/드라이브 장비 제조업체는 SSI 포트를 "Stegmann Interface"라고 부른다.이전에는 1990년에 만료된 독일의 특허 DE 34 45 617이 적용되었다.다양한 산업 환경에서 측정 시 신뢰성과 견고성을 요구하는 애플리케이션에 매우 적합하다.

그것은 직렬 주변 인터페이스 버스(SPI)와는 다르다: SSI 버스는 차분하고 단순하며, 비복수적이며, 데이터 프레임을 짜기 위해 타임아웃에 의존한다.SPI 버스는 단일 종단이며 이중으로 되어 있으며 데이터 프레임을 짜기 위해 선택 라인을 사용한다.그러나 마이크로컨트롤러의 SPI 주변기기는 외부 차동 드라이버-IC와 프로그램 제어 타이밍으로 SSI를 구현할 수 있다.

소개

SSI는 디지털 데이터 전송을 위한 동기식, 포인트 투 포인트 시리얼 통신 채널이다.동기식 데이터 전송은 공통 클럭 신호를 사용하여 수신과 송신 엔드에서 전송을 동기화하여 데이터가 전송되는 것을 말한다.시작 비트와 정지 비트가 없기 때문에, 이것은 더 많은 메시지 비트에 데이터 전송 대역폭을 더 잘 사용할 수 있게 하고 전체 전송 프로세스를 더 단순하고 쉽게 만든다.시계는 자체 대역폭이 필요하며 두 장치 사이의 통신에 필요한 총 대역폭을 결정할 때 포함되어야 한다.

그림 1 – SSI 지점 간 통신

일반적으로 앞에서 언급한 바와 같이 마스터(예: PLC, 마이크로컨트롤러)에서 슬레이브(예: 회전식 인코더)로의 연결을 가리키는 지점이다.마스터는 클럭 시퀀스를 제어하고 슬레이브는 시프트 레지스터를 통해 현재 데이터/값을 전송한다.마스터에 의해 호출되면, 데이터는 시프트 레지스터에서 기록된다.마스터와 슬레이브는 컨트롤러의 공통 시계에 의해 동기화된다.

CLOCK 및 DATA 신호는 RS-422 표준에 따라 전송된다.RS-422는 ANSI/TIA/EIA-422-B라고도 하며, 균형 전압 디지털 인터페이스 회로의 전기적 특성을 명시하는 기술 표준이다.데이터는 균형 또는 차등 신호를 사용하여 전송된다. 즉, CLACK 및 DATA 라인은 기본적으로 트위스트 페어 케이블이다.

입력은 RS-422/485 레벨로 구동할 수 있는 갈바닉 격리를 위해 옵토 커플러를 사용할 수 있다(자세한 내용은 [1] 참조).센서의 DATA 출력은 RS-422/485 라인 드라이버에 의해 구동된다.차동 신호 전달은 전자기 간섭(EMI)에 대한 저항을 개선하여 긴 전송 길이와 가혹한 외부 환경에 걸쳐 신뢰할 수 있는 통신 채널이 된다.

SSI 설계

인터페이스는 위의 그림에서와 같이 매우 단순한 디자인을 가지고 있다.그것은 두 쌍의 와이어로 구성되어 있는데 하나는 마스터로부터 시계 신호를 전송하기 위한 것이고 다른 하나는 노예로부터 데이터를 전송하기 위한 것이다.시계 순서는 필요할 때 마스터에 의해 작동된다.100kHz ~ 2MHz 범위의 다양한 클럭 주파수를 사용할 수 있으며 클럭 펄스 수는 전송할 데이터 비트 수에 따라 달라진다.

가장 단순한 SSI 슬레이브 인터페이스는 재탐지 가능한 단일 멀티비브레이터(monoflop)를 사용하여 센서의 현재 값을 동결한다.슬레이브의 현재 동결 값은 Shift 레지스터에 저장된다.이러한 값은 컨트롤러에 의해 시작되면 순차적으로 클럭아웃된다.마이크로컨트롤러, FPGA, ASIC가 인터페이스에 통합되어 설계가 혁신되고 있다.

데이터 형식은 데이터의 적절한 통신을 보장하기 위해 설계된다.데이터 전송을 위한 프로토콜은 세 개의 후속 부품에 기초한다(Leading-"1" -> Data-Bits -> Trailing-"0").이러한 형식의 주요 의의는 인터페이스의 적절한 작동을 보장하여 하드웨어 또는 소프트웨어 오류로부터 데이터를 안전하게 전송하는 것이다.

유휴 상태에서는 클록이 하이 레벨에 있고 센서 출력도 하이 레벨에 있으므로, 끊어진 와이어 접점을 감지하는 데 사용할 수 있다.이것은 인터페이스의 적절한 작동 상태를 관찰하는 데 도움이 된다.

n-CLOCK 펄스(상승 에지) 후에는 데이터가 완전히 전송된다.다음 CLOCK 펄스(상승 에지 n+1)를 사용하면 센서 출력이 로우 레벨로 이동하여 케이블의 단락을 감지하는 데 사용할 수 있다.n+1 상승 에지 후에도 높으면 인터페이스에 단락이 있음을 의미한다.

여러 슬레이브(최대 3개)의 판독치는 공통 시계에 연결하면 동시에 활성화할 수 있다.그러나 접지 루프를 방지하고 슬레이브를 전기적으로 격리시키려면 옵토커플러에 의한 완전한 갈바닉 격리가 필요하다.

SSI 타이밍 및 변속기

다음 키워드는 SSI 데이터 전송 절차를 이해하는 데 유용할 것이다.

  • 'tm'은 전송 시간 제한(monoflop time)을 나타낸다.노예가 데이터 전송이 완료되었음을 깨닫는 데 필요한 최소 시간이다.tm 이후 데이터 라인은 유휴 상태가 되고 슬레이브는 시프트 레지스터에서 데이터를 업데이트하기 시작한다.
  • 'tp'는 일시 중지 시간을 나타낸다.마스터로부터 연속된 두 클럭 시퀀스 사이의 시간 지연이다.
  • 'tw'는 반복 시간을 나타낸다.동일한 데이터의 재전송 사이에 경과한 최소 시간이며, 항상 tm보다 작다.
  • 'T'는 각 클럭 사이클의 폭을 나타낸다.연속 클럭 시퀀스에서 두 개의 하강 에지 또는 두 개의 상승 에지 사이에 걸리는 시간이다.
  • MSB: 가장 중요한 비트
  • LSB: 최하위 비트

단일 전송

SSI 인터페이스의 단일 전송: 1.자료 동결 2.첫 번째 데이터 베이스의 전송.3. 전송 종료 4. 정지 시간 후 SSI가 다시 유휴 상태로 전환됨 - 새로운 전송을 위한 준비 완료

다이어그램은 SSI 프로토콜을 사용한 단일 데이터 전송을 보여준다.

SSI는 처음에 유휴 모드에 있으며, 여기서 데이터와 클럭 라인은 모두 HIGH를 유지하고 슬레이브는 현재 데이터를 계속 업데이트한다.

전송 모드는 마스터가 클럭 펄스 열차를 개시할 때 발생한다.일단 노예가 시계 신호의 시작(1)을 받으면, 그것은 자동적으로 현재의 데이터를 정지시킨다.클럭 시퀀스의 첫 번째 상승 에지(2)로 센서 값의 MSB가 전송되고 그에 따른 상승 에지와 함께 비트가 출력으로 순차적으로 전송된다.

완전한 데이터 워드(3)(즉, LSB 전송)의 전송 후, 클럭의 추가 상승 에지가 클럭 라인을 HIGH로 설정한다.데이터 라인은 LOW로 설정되어 일정 기간 tm, tm, tm, 그 시간 내에 클럭 신호(데이터 출력 요청)가 수신되면 동일한 데이터가 다시 전송(복수 전송)된다.

슬레이브가 값을 업데이트하기 시작하고 시간 내에 클럭 펄스가 없으면 데이터 라인이 HIGH(공회전 모드)로 설정된다. tm이로써 데이터 워드의 단일 전송이 종료된다.슬레이브가 한 번에 클럭 신호(tp, tp (>=tm)를 받으면, 업데이트된 위치 값이 동결되고 그 값의 전송이 앞에서 설명한 대로 시작된다.

다중 전송

다중전송신

동일한 데이터의 다중 전송은 최하위 비트의 전송 후에도 지속적인 클럭링이 있는 경우에만 발생한다. 즉, 클럭 펄스가 모노플롭을 정상 상태로 이동할 수 없다.이것은 아래에 설명되어 있다.

초기 시퀀스는 단일 전송의 시퀀스와 동일하다.유휴 상태에서는 CLOCK 및 DATA 라인이 높지만 첫 번째 하강 에지가 도래하면 전송 모드가 발생하며 마찬가지로 데이터 비트는 모든 상승 에지가 있는 MSB로 시작하여 순차적으로 전송된다.LSB의 전송은 데이터 전송이 완료되었음을 의미한다.추가 상승 에지는 데이터 라인을 LOW로 밀어 특정 데이터의 전송 종료를 의미한다.

그러나 그 이후에도 연속적인 클럭 펄스가 있는 경우(즉, 다음 클럭 펄스가 시간 tw(< tm )로 오는 경우) 슬레이브 값은 업데이트되지 않는다.모노플롭이 여전히 불안정하고 시프트 레지스터의 값이 여전히 이전과 동일한 값을 포함하고 있기 때문이다.따라서 다음 상승 에지, 즉 n+1 상승 에지 이후에 동일한 데이터의 전송이 계속되며 이전에 전송된 데이터의 MSB는 tw의 끝에 다시 전송된다.

그 후, 이전의 전송과 동일한 절차를 따르며, 동일한 데이터의 다중 전송으로 이어진다.슬레이브 값은 두 클럭 펄스 사이의 타이밍이 전송 시간 제한(tm)을 초과할 때만 업데이트된다.

다중 전송을 사용하여 데이터 무결성을 점검한다.연속적으로 수신된 두 값을 비교하고, 전송 실패는 두 값 사이의 차이로 나타낸다.

전송 중단

데이터 전송은 마스터에 의해 제어되며, tm보다 긴 기간 동안 클럭 시퀀스를 정지하는 것만으로 언제든지 전송이 중단될 수 있다.슬레이브는 전송 시간 제한을 자동으로 인식하고 유휴 모드로 전환된다.

케이블 연결 – RS-422 표준에 따름

케이블 길이 대 신호 전송 속도

SSI는 RS-422 표준에 기초하기 때문에 적절한 케이블을 선택하고 케이블 길이와 클록 주파수의 한계 내에 머무를 필요가 있다.

케이블 길이와 클럭 주파수 사이의 관계는 다음 그림에 나와 있다.[2]이것은 보수적인 지침으로 사용될 수 있다.이 곡선은 100Ω 저항 부하에서 종료된 52.5pF/m(16pF/ft)의 션트 캐패시턴스를 가진 24 AWG 표준 구리 전도체 비차폐 트위스트 페어 전화 케이블을 사용한 경험적 데이터를 기반으로 한다.곡선으로 표시된 케이블 길이 제한은 다음의 가정된 부하 신호 품질 요구 조건에 기초한다.

  1. 신호 상승 및 하강 시간은 해당 데이터 전환 속도에서 1/2 단위 간격과 같거나 작다.
  2. 제너레이터와 부하 사이의 최대 전압 손실 66%

높은 데이터 전송률을 사용할 경우, 애플리케이션은 더 짧은 케이블로 제한된다.데이터 전송률이 낮을 때는 긴 케이블을 사용할 수 있다.케이블의 DC 저항은 케이블의 전압 강하가 증가함에 따라 노이즈 마진을 증가시킴으로써 낮은 데이터 전송 속도 적용을 위한 케이블 길이를 제한한다.케이블의 AC 효과는 신호의 품질을 제한하고 높은 데이터 전송 속도를 사용할 때 케이블 길이를 단거리로 제한한다.데이터 전송 속도와 케이블 길이 조합의 예는 RS-422의 경우 1.2km에서 90kbit/s에서 5m에서는 10Mbit/s까지 다양하다.

트위스트 페어 24 AWG, 52.5 pF/m(16pF/ft)과 다른 특성을 가진 케이블도 위에서 언급한 범위 내에서 사용할 수 있다.먼저 그림에서 원하는 데이터 신호 전송 속도와 관련된 케이블 길이로 제공되는 일반적인 24 AWG 케이블의 절대 루프 저항 및 캐패시턴스 값을 결정한다.그런 다음 이러한 값을 실제 사용되는 케이블의 동일한 길이로 변환하십시오.예를 들어, 더 긴 거리는 19 AWG를 사용할 때 가능한 반면, 더 짧은 거리는 28 AWG에 필요하다.

마스터와 슬레이브를 분리하는 케이블의 최대 허용 길이는 데이터 신호 전송 속도의 함수로서, 허용 가능한 신호 왜곡, 마스터와 슬레이브 회로 사이에 도입된 종방향으로 결합된 노이즈의 양 및 접지 전위 차이의 영향을 받는다.따라서 사용자는 케이블 길이를 최소한으로 제한하는 것이 좋다.사용되는 케이블의 형식과 길이는 특정 용도에 필요한 신호 품질을 유지할 수 있어야 한다.또한 케이블 밸런스는 생성 및 수신 모두 허용 가능한 크로스스토크 레벨을 유지하도록 해야 한다.

파생 프로토콜

일부 제조업체와 조직은[3] 기본 SSI 프로토콜에 추가 정보를 추가했다.그것은 주로 적절한 데이터 전송을 보장하기 위해 행해졌다.보안 전송을 위해 데이터 전송의 끝을 표시하기 위해 CRC 비트 또는 패리티 비트를 추가할 수 있다.간단히 말해서, 바이트가 올바르게 해석되고 수신되었는지 확인하는 데 사용되었다.원래 규격에서는 데이터 무결성을 보장하기 위해 다중 전송을 사용하였다.이 경우, 동일한 데이터의 연속 전송을 2회 개시하여 전송 오류에 대해 비교하였다.그러나 이것은 병렬 데이터 전송에 비해 프로토콜 효율성이 50% 감소한다.

혜택들

  • 직렬 데이터 전송으로 배선이 감소했다.이는 최소한의 구성 요소 사용으로 인한 SSI 설계의 단순성 외에도, 비용을 상당히 절감하고 메시지 비트에 대한 전송 대역폭을 더 많이 만들었다.
  • RS-422 표준으로 인한 높은 전자파 간섭 내성 및 차등 신호 전달으로 인한 데이터 전송의 높은 신뢰성.
  • 최적 갈바닉 격리
  • 전송된 비트 수에 대한 완벽한 프로토콜 유연성특정 단어 수로 제한되지 않고 임의로 메시지 크기를 선택할 수 있음.
  • 노예들은 마스터 시계를 사용하기 때문에 정밀 발진기가 필요하지 않다.
  • SSI는 최대 3개의 노예를 하나의 공통 시계에 연결할 수 있도록 허용한다.따라서 복수의 센서로부터 값을 얻을 수 있다.

이 인터페이스의 제한은 산업 자동화에서의 애플리케이션에서 무시할 수 있다.SSI는 단거리 통신(최대 1.2km)만 처리할 수 있으며, 하나의 마스터 장치만 지원한다.하지만 1.2km는 자동화 산업 표준으로 볼 때 의사소통에 좋은 거리다.필드버스나 이더넷을 기반으로 한 첨단 통신시스템과 비교하면, SSI는 마스터 슬레이브 아키텍처와 마스터와 슬레이브 사이의 단순한 포인트 투 포인트 통신에 한정된다.또 다른 단점은 통신용 슬레이브 검출과 같은 하드웨어 슬레이브 승인이 없다는 것이다.

참고 항목

참조

  1. ^ 노보테크닉에 의한 인터페이스 기사
  2. ^ *RS422 케이블 특성
  3. ^ *Biss 인터페이스

외부 링크