คู่มือโปรโตคอลการสื่อสารสำหรับตัวเข้ารหัสแอบโซลูท

ระบบอัตโนมัติยังคงปฏิวัติโลกสมัยใหม่อย่างต่อเนื่อง มันไปไกลกว่าระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและอุตสาหกรรม 4.0 เพื่อรวมโดเมนการค้าและผู้บริโภค นี่คือจุดที่ IoT ที่กว้างขึ้นทำงานโดยอัตโนมัติซึ่งครั้งหนึ่งเคยเป็นทางกายภาพแต่ตอนนี้กลายเป็นระบบเครื่องกลไฟฟ้ามากขึ้น

โดยทั่วไปแล้วมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นเครื่องมือที่ใช้ในการควบคุมโลกทางกายภาพ อย่างไรก็ตาม มอเตอร์ไฟฟ้าส่วนใหญ่นั้นทำงานอย่างเรียบง่าย ซึ่งหมายความว่าโดยทั่วไปแล้วมอเตอร์เหล่านี้จะไม่ให้ข้อเสนอแนะใด ๆ เกี่ยวกับตำแหน่งในการใช้งานของตัวมอเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับมอเตอร์ต้นทุนต่ำที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายโหลด อาจเป็นเรื่องที่น่าแปลกใจที่ตระหนัก แต่สิ่งนี้อาจรวมถึงการใช้งานที่ค่อนข้างซับซ้อน เช่น เบาะรถยนต์ที่ปรับตำแหน่งโดยอัตโนมัติตามกุญแจที่ใช้ในการเปิดและสตาร์ทรถ

วิธีที่มอเตอร์พื้นฐานเหล่านี้มีความ 'อัจฉริยะ' ที่จำเป็นในการรู้ว่าเบาะนั่งอยู่ที่ไหนและจะปรับอย่างไรผ่านตัวเข้ารหัส แม้ว่ามอเตอร์บางตัวจะมีตัวเข้ารหัส แต่ตัวที่ไม่สามารถใช้ตัวเข้ารหัสภายนอกที่ออกแบบมาให้ติดตั้งกับด้านนอกของเพลามอเตอร์ได้ มีตัวเข้ารหัสหลายประเภทที่ใช้ในแอปพลิเคชันเหล่านี้ โดยแต่ละตัวมีวิธีการตรวจจับการเคลื่อนไหวของตัวเอง ซึ่งอาจรวมถึงตัวเข้ารหัสออปติคัลที่นับพัลส์ของแสงเมื่อวัตถุเคลื่อนผ่านหน้าแหล่งกำเนิดแสง หรือการนับพัลส์ที่สร้างโดยสวิตช์เอฟเฟกต์ฮอลล์เมื่อแม่เหล็กเคลื่อนผ่าน

ตัวเข้ารหัสบางตัวเช่น AMT Series ของตัวเข้ารหัสสัมบูรณ์ จากSame Sky รวมความละเอียดสูงที่เสนอโดยตัวเข้ารหัสแบบออปติคัลกับความทนทานของตัวเข้ารหัสแบบแม่เหล็ก พวกเขาทำเช่นนี้ผ่านการเข้ารหัสแบบ capacitive ซึ่งใช้เพลตสองแผ่น: ตัวส่งและตัวรับซึ่งคั่นด้วยแผ่นที่สามที่ติดกับโรเตอร์ ขณะที่จานกลางหมุน มันจะรบกวนสัญญาณที่ถูกดำเนินการแบบ capacitive ระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ เนื่องจากสัญญาณรบกวนไม่ได้ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนไหว ตำแหน่งสัมบูรณ์ของจานโรเตอร์จึงสามารถตรวจจับได้แม้ว่าจะไม่ได้เคลื่อนที่ก็ตาม

การใช้งานทั่วไปต้องการตัวเข้ารหัสเพื่อตรวจจับความเร็วของมอเตอร์หรือตีความตำแหน่งของสิ่งที่มอเตอร์กำลังเคลื่อนที่ตามจำนวนรอบการหมุน อาจจำเป็นต้องตรวจจับทิศทางการเดินทางด้วย วิธีการรายงานตำแหน่งอาจแตกต่างกันไป ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ตัวเข้ารหัสแบบหมุนสัมบูรณ์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับการรู้ตำแหน่งก่อนหน้า เนื่องจากให้ค่าที่ไม่ซ้ำกันสำหรับตำแหน่งเชิงปริมาณทุกตำแหน่งของโรเตอร์ สิ่งนี้มีประโยชน์ในการใช้งานที่จำเป็นต้องทราบตำแหน่งของมอเตอร์หลังจากรอบกำลัง เช่น เมื่อมีคนเข้าไปในรถ

โปรโตคอลที่ใช้ในเครื่องเข้ารหัสแบบโรตารี่

ไม่ว่าจะใช้วิธีใดในการจับการเคลื่อนไหวทางกายภาพ ข้อมูลนั้นจะต้องถูกส่งไปยังผู้ควบคุม สิ่งนี้ทำได้โดยการเข้ารหัสอีกระดับหนึ่ง ซึ่งใช้พัลส์ดิบและแปลเป็นโปรโตคอลสำหรับการส่ง

การเชื่อมต่อทางกายภาพมีอิทธิพลต่อการเลือกโปรโตคอลและวิธีการทำงาน โดยทั่วไป โปรโตคอลจะเป็นแบบซิงโครนัส ซึ่งหมายความว่าจะใช้สัญญาณนาฬิกา หรือแบบอะซิงโครนัส (ไม่มีสัญญาณนาฬิกา) นอกจากนี้ การเชื่อมต่อทางกายภาพสามารถเป็นแบบอุปกรณ์เดี่ยว หรือแบบ differential เพื่อให้มีความทนทานเป็นพิเศษ การรวมกันนี้ส่งผลให้เกิดทางเลือกที่เป็นไปได้สี่ทางและโปรโตคอลที่ได้รับความนิยมมากที่สุดซึ่งครอบคลุมสิ่งเหล่านี้ ได้แก่ Serial Peripheral Interface หรือ SPI (single-ended, synchronous), RS-485 หรือที่เรียกว่า TIA/EIA-485 (Differential, asynchronous) และ Synchronous Serial Interface หรือ SSI (ส่วนต่าง, ซิงโครนัส)

โปรโตคอลถูกเลือกด้วยเหตุผลหลายประการ สิ่งเหล่านี้ให้ระดับของความสามารถในการทำงานร่วมกัน แต่พวกเขายังเพิ่มความแข็งแกร่งของช่องทางการสื่อสาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า เช่น การควบคุมมอเตอร์ในโรงงานอุตสาหกรรม แต่สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถามว่าโปรโตคอลใดดีที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันที่กำหนด โชคดีที่ AMT Series มีรุ่นที่มีโปรโตคอลทั้งสามที่กล่าวถึงข้างต้น ดังนั้นจึงเป็นประโยชน์ที่จะมองแต่ละส่วนให้ใกล้ขึ้นเล็กน้อยเพื่อทำความเข้าใจแอตทริบิวต์ที่เกี่ยวข้องอย่างถ่องแท้เพื่อช่วยในกระบวนการคัดเลือก

SPI Bus

ในฐานะที่เป็นบัสซิงโครนัส หนึ่งในการเชื่อมต่อบนบัส SPI คือสัญญาณนาฬิกาเฉพาะ (SCLK) โปรโตคอลยังสนับสนุนการทำงานแบบฟูลดูเพล็กซ์ด้วยการเชื่อมต่อเฉพาะสำหรับอุปกรณ์หลักและอุปกรณ์ทาส เนื่องจากการแลกเปลี่ยนข้อมูลทั้งหมดได้รับการประสานกันโดยสัญญาณนาฬิกา Master และ Slaves สามารถสื่อสารได้โดยไม่ต้องเจรจาพารามิเตอร์ก่อน เช่น อัตราข้อมูลหรือความยาวของข้อความ สเลฟแต่ละตัวจะมีพินการเลือกชิป (รูปที่ 1) ซึ่งช่วยให้มาสเตอร์สามารถควบคุมอุปกรณ์ที่จะสื่อสารด้วยได้ตลอดเวลา

ตัวอย่างเช่น AMT22 ซีรีส์ มีตัวเข้ารหัส SPI ที่สามารถกำหนดค่าให้ทำงานด้วยสัญญาณนาฬิกา 2 MHz ซึ่งหมายความว่าเมื่อผู้เชี่ยวชาญร้องขอ ตัวเข้ารหัสสามารถตอบสนองต่อตำแหน่งปัจจุบันได้ในเวลาเพียง 1500 ns การกำหนดค่าการเดินสายสำหรับโปรโตคอล SPI นั้นง่ายด้วยการเชื่อมต่อเฉพาะสำหรับ Master Out, Slave In (MOSI) และ Master In, Slave Out (MISO) ในแต่ละอุปกรณ์ การเชื่อมต่อเหล่านี้ต่อสายเข้าด้วยกันดังแสดงในรูปที่ 1 ในขณะที่ Master มีการเชื่อมต่อเฉพาะสำหรับพินเลือกชิปแต่ละตัว

รูปที่ 1: โปรโตคอล SPI ใช้การเชื่อมต่อทั่วไปสำหรับนาฬิกาและข้อมูล โดยมีการเชื่อมต่อเฉพาะสำหรับการเลือกชิป (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์ CUI)

ในฐานะที่เป็นบัสปลายเดียว โปรโตคอล SPI เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมต่อในระยะทางที่ค่อนข้างสั้นประมาณ 1 เมตรหรือน้อยกว่า หากใช้นาฬิกาความเร็วสูง ระยะนี้สามารถขยายได้หากความเร็วสัญญาณนาฬิกาลดลง เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ ทำให้โปรโตคอล SPI ใช้งานได้หลากหลายและเหมาะสมกับการใช้งานที่หลากหลาย

บัส RS-485

หากแอปพลิเคชันเกี่ยวข้องกับระยะทางมากกว่า 1 เมตร หรือหากสภาพแวดล้อมมีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าจำนวนมาก บัสเฟืองท้ายอาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่า นี่เป็นเพราะว่าสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลนั้นแข็งแกร่งกว่าสัญญาณแบบปลายเดียว อีกเทคนิคหนึ่งที่สามารถเพิ่มความแข็งแรงทนทานคือการขจัดความต้องการสัญญาณนาฬิกาที่สะอาดบนรถบัส นี่คือจุดที่บัส RS-485 และโปรโตคอลที่เกี่ยวข้องสามารถเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมได้

อินเทอร์เฟซ RS-485 ใช้สายเคเบิลคู่บิดเบี้ยว และเนื่องจากเป็นส่วนต่าง จึงต้องมีจุดปลายที่เหมาะสมที่ปลายแต่ละด้านของสายเคเบิล แต่เนื่องจากเป็นแบบอะซิงโครนัส จึงไม่มีสัญญาณนาฬิกาเฉพาะบนบัส ดังนั้นจึงต้องการเพียงตัวนำไฟฟ้าสองตัว (รูปที่ 2) และสามารถเข้าถึงอัตราข้อมูล 10 Mbit/s หรือสูงกว่านั้นอีก ในฐานะที่เป็นบัส รองรับการเชื่อมต่อที่หลากหลาย แต่แต่ละอันต้องถูกยุติและจับคู่อิมพีแดนซ์กับสายเคเบิล เพื่อรักษาประสิทธิภาพ อุปกรณ์แต่ละชิ้นควรเชื่อมต่อกับบัสโดยใช้ความยาวสายเคเบิลที่สั้นที่สุด

AMT21 ซีรีส์ ใช้บัส/โปรโตคอล RS-485 ซึ่งต้องการเพียงสองการเชื่อมต่อสำหรับสายทวิสต์และอีกสองตัวสำหรับพลังงาน เนื่องจากเป็นแบบอะซิงโครนัส อุปกรณ์ทั้งหมดจำเป็นต้องตระหนักถึงวิธีการกำหนดค่าโปรโตคอล และโดยค่าเริ่มต้น AMT21 ซีรีส์ใช้ 8N1 ซึ่งหมายความว่า 8 บิตข้อมูล ไม่มีพาริตี และ 1 บิตหยุด ในการกำหนดค่านี้ บิตที่สำคัญที่สุดหกบิตถูกใช้เป็นที่อยู่ ซึ่งหมายความว่าหนึ่งการเชื่อมต่อสามารถรองรับอุปกรณ์ที่กำหนดแอดเดรสได้มากถึง 64 เครื่อง สองบิตที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุดใช้สำหรับคำสั่ง เมื่อได้รับคำสั่งให้ระบุข้อมูลตำแหน่ง AMT21 ซีรี่ส์สามารถตอบสนองได้ภายในสามไมโครวินาที นอกจากนี้ยังมีคำแนะนำในการรีเซ็ตตัวเข้ารหัสและตั้งค่าตำแหน่งศูนย์

รูปที่ 2: โปรโตคอล RS-485 รองรับอุปกรณ์หลายตัวในคู่บิดเกลียวเดียว (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์ CUI)

SSI Bus

ในการกำหนดค่ามาตรฐาน บัส SSI สามารถถูกมองว่าเป็นส่วนเสริมของบัส RS-485 ผ่านการเพิ่มคู่ดิฟเฟอเรนเชียลที่นำสัญญาณนาฬิกาไปพร้อมกับคู่ดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับข้อมูล ซึ่งหมายความว่าอินเทอร์เฟซ SSI มาตรฐานใช้คู่ดิฟเฟอเรนเชียลสองคู่หรือสี่การเชื่อมต่อสำหรับนาฬิกาและข้อมูล Same Sky ได้พัฒนารูปแบบต่าง ๆ ในการออกแบบนี้ โดยเอาส่วนต่างออก แต่เพิ่มพินที่เลือกใช้ชิป ซึ่งจะช่วยลดจำนวนพินจากสี่เป็นสามต่อการเชื่อมต่อในขณะที่เพิ่มความสะดวกในการเลือกชิปโดยเฉพาะ (รูปที่ 3)

ตัวแปรนี้เข้ากันได้กับคอนโทรลเลอร์ SSI ที่รองรับการเลือกชิปและมอบระดับประสิทธิภาพที่คล้ายกับ SPI AMT23 ซีรีส์ จาก Same Sky ใช้ตัวแปร SSI นี้และสามารถกำหนดค่าได้ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3: ตัวแปร SSI นี้ต้องใช้สายไฟน้อยกว่าแต่รองรับการเลือกชิป (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์ CUI)

สรุป

การใช้ระบบอัตโนมัติเพิ่มขึ้นเท่านั้น ตัวเข้ารหัสแอบโซลูท ออกแบบมาเพื่อให้พอดีกับมอเตอร์ไฟฟ้า ให้การควบคุมที่ดียิ่งขึ้นในการใช้งานระบบอัตโนมัติ เทคโนโลยีการเข้ารหัสแบบ capacitive ที่พัฒนาโดย Same Sky และมีอยู่ใน AMT ซีรี่ส์ ใช้โปรโตคอลการสื่อสารสามแบบ ซึ่งแต่ละโปรโตคอลมีคุณสมบัติและประโยชน์ต่างกันไป สิ่งนี้ทำให้วิศวกรมีอิสระในการออกแบบมากขึ้นเมื่อเลือกเทคโนโลยีที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานของพวกเขา