摘要：BiSS通信協(xié)議是一種全雙工同步串行總線通信協(xié)議，專門為滿足實時、雙向、高速的傳感器通信而設(shè)計，在硬件上兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SSI(同步串行接口協(xié)議)總線協(xié)議。其典型應(yīng)用是在運動控制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)伺服驅(qū)動器與編碼器通信。

編碼器總線的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展，SOC片上系統(tǒng)逐漸普及，控制系統(tǒng)全數(shù)字化已成該領(lǐng)域的發(fā)展方向和研究熱點。編碼器也在向數(shù)字化發(fā)展，從而帶來傳絕對式編碼器和相關(guān)通信總線的技術(shù)進(jìn)步。由于編碼器在運動控制領(lǐng)域應(yīng)用最多，編碼器總線要滿足運動控制器對精度、分辨率、響應(yīng)速度的要求，應(yīng)包括如下幾個特征：

1、高速通信

2、時延固定

3、數(shù)據(jù)診斷

4、雙向通信

5、低成本

高速通信有助于提高響應(yīng)速度；編碼器的精度和分辨率決定了控制系統(tǒng)的精度，時延是影響編碼器精度的重要因素。運動控制器發(fā)出“讀指令”的時刻到編碼器開始采樣這段時間理想情況下應(yīng)是是固定的。這個時延越小，編碼器的編碼值的物理意義越準(zhǔn)確。從而有利于伺服控制器的算法調(diào)節(jié)。

試想利用CAN總線實現(xiàn)編碼器通信的情況。首先，伺服控制器發(fā)出一個CAN通信幀；然后，編碼器從CAN通信幀提取出“讀指令”；最后，編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并回傳數(shù)據(jù)。這樣的采樣滯后是多長時間，時長是固定的么？作為對比，BiSS在MA（MA是主機發(fā)出的時鐘）的第一上升沿采樣數(shù)據(jù)，理論上是沒有延遲的。

可以說，通用現(xiàn)場總線目前還不適合高速編碼器通信。專門用于高速數(shù)據(jù)通信的傳感器總線大都是編碼器廠商開發(fā)，有很強的封閉性。比較有代表性的總線通信協(xié)議有EnDat2.2、Hiperface、SSI、NRZ等等。BiSS是國際通用協(xié)議且協(xié)議開放。BiSS通信協(xié)議目前的版本是BISS-C，應(yīng)用BISS無需任何許可費用，BiSS協(xié)會會員還可以申請獲得免費的IP核源代碼和相關(guān)技術(shù)支持，維持BiSS協(xié)會會員資格無需繳納任何費用，申請入會也是免費的

BiSS通信協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)特征

1、二線串行同步數(shù)據(jù)總線，采用RS422接口，波特率達(dá)到10Mbit/s；采用LVDS接口，波特率>10Mbit/s，這反映了BiSS有高的響應(yīng)速度；

2、通信效率高，每10uS傳輸超過64個比特，有效負(fù)載率大于80%。這反映出BiSS能承載高分辨率編碼器數(shù)據(jù)；

3、線路時分復(fù)用，包括每個通信周期傳輸一幀的數(shù)據(jù)通信信道和傳輸一個幀位的寄存器通信信道。其中，寄存器通信和數(shù)據(jù)通信完全獨立，互不干涉。對于不需要寄存器通信的應(yīng)用場合，可以使用BiSS-CUnidirectional版本。這個版本的協(xié)議沒有寄存器通信。

這反映了采用BiSS的控制系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性和便利性。

4、多種安全機制確保數(shù)據(jù)可靠，BiSS的延遲補償技術(shù)能補償傳輸線帶來的信號延遲，采用兩組CRC生成多項式分別對傳感器數(shù)據(jù)與寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。BiSS協(xié)議幀還包括一位報警位和一位錯誤位，CRC生成多項式可自定義。6位CRC能滿足大多數(shù)應(yīng)用，對于高安全場合（例如需要滿足歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)的場合），BiSS可以使用16位CRC。

這反映了BiSS傳輸更可靠，采用BiSS的控制系統(tǒng)更可靠。

5、數(shù)據(jù)同步，BiSS利用時鐘信號同步傳感器數(shù)據(jù)，傳感器在第一個時鐘脈沖到來時進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，每一幀到達(dá)后續(xù)電子設(shè)備的數(shù)據(jù)其傳輸延遲都是相同的，方便后續(xù)電子設(shè)備進(jìn)行時延補償，特別適合電機控制等對時間位置關(guān)系要求苛刻的應(yīng)用場合。

這反映BiSS對于編碼器精度的影響很小，有助于提高控制系統(tǒng)的高速特性。

6、組網(wǎng)能力，通過BiSS可以構(gòu)成單總線傳感器環(huán)網(wǎng)，一個通信周期采集全部傳感數(shù)據(jù)，并且信號采集是同步的。

這反映BiSS的擴展性和前瞻性。

7、即插即用，BiSS支持從寄存器讀出編碼器參數(shù)，來配置數(shù)據(jù)通信。凡是支持BiSS標(biāo)準(zhǔn)EDS和Profile的編碼器和控制系統(tǒng)都可以直接通信，無需修改任何程序。

這反映了BiSS高度的開放性和兼容性。

BiSS通信協(xié)議的基本內(nèi)容

1、組網(wǎng)方式

圖1是BiSS的基本組網(wǎng)方式，叫point-to-point方式。后續(xù)電子設(shè)備（圖中為PLC），通過差分信號向傳感器提供時鐘，傳感器同步地通過差分信號向后續(xù)電子設(shè)備發(fā)出傳感數(shù)據(jù)。在BiSS協(xié)議中后續(xù)電子設(shè)備被稱為Master，傳感器被稱為Slave。在point-to-point方式下，Master可以接收Slave的數(shù)據(jù)，同時與Slave進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。

圖1point-to-point組網(wǎng)

圖2是BiSS的多從機組網(wǎng)方式，叫Multi-slaveNetworking。Master在一個周期可以內(nèi)完成與多個Slave之間的通信。所有的設(shè)備按照菊花鏈?zhǔn)孜策B接，每個Slave有兩個端口，分別用于接收前端信號和向后端發(fā)送信號。這是一種類似流水線的工作方式，每個Slave接收上一個Slave的數(shù)據(jù)放在自己的發(fā)送隊列隊尾，同時將自身的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)出。整個通信由Master發(fā)出的時鐘信號進(jìn)行同步。Master通過MO信號將Actuator數(shù)據(jù)串行地移入到每個Slave，同時通過SL信號依次接收每個Slave的數(shù)據(jù)。

圖2Multi-slaveNetworking組網(wǎng)

2、BiSS的幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信

圖3描繪了point-to-point組網(wǎng)時的BiSS通信幀。MA由Master發(fā)出用于驅(qū)動通信，SL是Slave發(fā)出的數(shù)據(jù)信號。完成1個BiSS通信幀表示Master收到1幀數(shù)據(jù)。

圖3point-to-point組網(wǎng)的BiSS幀結(jié)構(gòu)

圖4描繪了Multi-slaveNetworking組網(wǎng)的BiSS通信幀，對于每一個Slave而言，不但要發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，而且要接收并轉(zhuǎn)發(fā)前一個Slave發(fā)過來的數(shù)據(jù)。

圖4Multi-slaveNetworking組網(wǎng)的BiSS幀結(jié)構(gòu)

BiSS通信過程可以描述為如下幾個狀態(tài)的切換：IDLE（空閑），StartFrame（幀開始），Tranmission（發(fā)送），Timeout（超時）。

IDLE，空閑狀態(tài)；BiSS通信空閑，MA，SL保存常高。

StartFrame，開始幀通信：MA發(fā)送時鐘，在MA第一個上升沿，Slave鎖存?zhèn)鞲衅鳡顟B(tài)。在MA第二個上升沿，編碼器將SL拉低，用于應(yīng)答Master的通信請求。

理想狀態(tài)下，SL拉低與MA第二上升沿的時延很小，在實際系統(tǒng)中，由于長線延遲、信號整形、濾波以及信號傳遞通過多級門電路等因素的綜合作用，SL相對MA信號存在一定的相移，造成SL拉低滯后MA第二上升沿一段時間，這個時間被稱為line-delay線路延遲，如果SL信號采樣電路不能修正這個延遲，那么總線的通信距離和通信速率都要降低，以保證SL信號被可靠地采樣。BiSS規(guī)定每個通信幀發(fā)起時都要檢測一次line-delay，并加以修正。從而確保BiSS通信波特率可以達(dá)到10Mbit/s。

在line-delay期間，MA持續(xù)輸出脈沖。

Tranmission，（發(fā)送）：當(dāng)SL信號從常高拉低后維持一段時間。這段時間叫ACK，表示Slave響應(yīng)了MA信號，正在進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。通常ACK維持0.1us到8us之間，這與Slave數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒有關(guān)，對于特定的Slave，其ACK的長度是基本上是固定的。ACK期間MA持續(xù)輸出脈沖。當(dāng)SL發(fā)送1個BIT的START位（常‘1’），表示Slave數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。開始數(shù)據(jù)發(fā)送。

SL會順次發(fā)1個BIT的CDS信號，1個單周期字段（SCD）；BiSS規(guī)定單周期字段長度要大于4個BIT，小于64個BIT。對于特定應(yīng)用，字段長度由Slave廠商規(guī)定（例如：禹衡公司多圈編碼器的單周期位域包括16個BIT的多圈計數(shù)、17個BIT的單圈位置，2個BIT的錯誤告警和6個BIT的CRC校驗）。這個期間，MA持續(xù)輸出脈沖。

Timeout，（超時）：當(dāng)SCD發(fā)出完成后，SL維持0.5~40us的低電平，這個時間段被稱為Timeout，對于特定的應(yīng)用，Timeout由Slave廠商規(guī)定。MA在Timeout期間發(fā)送CDM信號，該信號一直維持到SL被拉高，SL被拉高后，本次通信完全結(jié)束。

2、BiSS的寄存器通信

CDM和CDS是Master和Slave進(jìn)行寄存器通信的信號。當(dāng)Master與Slave進(jìn)行個多個周期的數(shù)據(jù)通信后，Slave收到的Master發(fā)送的CDM序列和Master接收的CDS序列構(gòu)成了BiSS寄存器通信幀，如下圖5所示。

圖5多個BiSS幀構(gòu)成的寄存器通信序列

圖6、圖7描述了BiSS寄存器通信讀寫時序。通過時序圖，可以了解BiSS可以與編碼器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換。BiSS的寄存器通信有CRC校驗，和讀回校驗（針對寫時序）。

BiSS的寄存器通信占用帶寬很少，對比EnData2.2和NRZ等有優(yōu)勢。這是由于伺服控制器初始化時讀編碼器參數(shù)情況多，正常工作時用戶通常只關(guān)注錯誤報警信息，BiSS將錯誤報警信息放在實時性高的數(shù)據(jù)通信中，把耗時的寄存器通信用CDS和CDM實現(xiàn)，這種根據(jù)數(shù)據(jù)實時性設(shè)計不同的通信速率的方法，能夠大幅節(jié)約通信帶寬，有效降低通信時延。所以，使用BiSS編碼器能帶來更好的控制效果。

圖6BiSS寄存器通信寫時序

圖7BiSS寄存器通信讀時序

BiSS通信協(xié)議的實現(xiàn)方法

1、硬件解碼

對于采用硬件解碼的用戶，可以根據(jù)需要選擇IC-HAUS提供的解碼芯片，或者采用IC-HAUS提供的IP軟核進(jìn)行解碼。也可以選擇帶有IP硬核的MCU。如果想利用IC-HAUS提供的IP軟核實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和寄存器兩種功能，需采用FPGA解碼。FPGA資源數(shù)需大于1300個LE（將BiSS與MCU的接口設(shè)置為SPI時的編譯的結(jié)果）或等效資源數(shù)。如果僅想實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，可以采用CPLD解碼。CPLD資源數(shù)需大于96個LE（增加時鐘分頻電路和SPI接口后需150個以上的LE）或等效資源數(shù)。自行設(shè)計的難點是線延遲的處理，對于外引線很短或無外引線的應(yīng)用，線延遲的變化很小，這時可以設(shè)計延遲固定的采樣時鐘，否則每個周期要進(jìn)行一次線延遲補償。

2、軟件解碼

用戶可以通過IO模擬的BiSS時序，但這種方法不推薦使用。推薦使用MCU的硬件外設(shè)解碼，這樣能夠?qū)iSS通信速度設(shè)定很高。而且節(jié)約了外部邏輯電路的成本，對于很多應(yīng)用，節(jié)約的成本十分可觀，同時對于產(chǎn)品的系列化有優(yōu)勢。一個功能強大的通用串行解碼模塊，采用不同的解碼程序應(yīng)該能夠支持多種串行通信協(xié)議、全雙工、半雙工等等。例如：對于BiSS可以利用SPI的SCK可以用來模擬MA，MISO可以模擬SL。這樣用需考慮三個問題：

1、MCU硬件模塊的FIFO深度。有些MCU，外設(shè)的SPI寄存器長度是固定的，完成一幀BiSS通信需通信多次，中斷多次。結(jié)果造成MA的波形不連續(xù)。這可能帶來問題，造成通信出錯。

2、MCU硬件模塊是否具備線延遲補償?shù)哪芰?。具有線延遲補償能力的外設(shè)，可以應(yīng)對實際應(yīng)用環(huán)境的變化帶來的影響，可以是需求的變化，環(huán)境的變化，線路老化等等。具有線延遲的系統(tǒng)，其可靠性和適應(yīng)性比沒有線延遲補償?shù)南到y(tǒng)高得多。

3、CRC解碼能力，CRC校驗對MCU的處理能力提出了要求。

使用MCU進(jìn)行解碼要充分考察不同MCU外設(shè)的特點和處理能力，以及芯片廠家技術(shù)支持的力度，是否有成熟的設(shè)計等等。

3、混合解碼

如果既想利用硬件解碼，又想降低成本。可以使用混合解碼的方法。例如用FPGA或CPLD的部分資源完成數(shù)據(jù)通信，將CDM和CDS信號引出交給MCU處理。這種方案是一種過渡性質(zhì)的方案，同時也是很實用的做法。需要注意的是,CDM必須在通信發(fā)起前準(zhǔn)備好。隨著MCU和FPGA的發(fā)展。這種方案會逐漸淘汰，以降低系統(tǒng)之間的耦合性。

4、BiSS通信幀實例

圖8給出了BiSS通信幀的實例，幫助讀者直觀地了解BiSS通信過程。

圖8：BiSS通信幀實例

BiSS通信協(xié)議與其他通信協(xié)議的對比

如下表1標(biāo)所示，BiSS通信協(xié)議在協(xié)議開放性（Availablity）、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Connectivity、Master/slavecount、Multi-slavesynchronization）和線延遲補償（Linedelaycompensation）具有領(lǐng)先優(yōu)勢，在高速性（Transmissionrate）和時延（Mincycletime）與Endat2.2相當(dāng)。同時，BiSS的數(shù)據(jù)通信和寄存器通信占用不同的通信信道，互不影響。

表1不同編碼器協(xié)議的參數(shù)對比

BiSS通信協(xié)議的現(xiàn)狀和發(fā)展

BiSS通信協(xié)議經(jīng)過十余年的發(fā)展，在歐洲應(yīng)用較廣，在中國也得到主要驅(qū)動器、編碼器廠商的支持。2002年在歐洲推出BiSS，2003年BiSS解碼芯片IC-MB3面世。2009年推出BiSSunidirectional版本。BiSS總線幀格式保持穩(wěn)定，眾多的編碼器廠商推出了基于BiSS的編碼器產(chǎn)品。目前全球共有超過278家廠商成為BiSS協(xié)議會員。

歐洲在工業(yè)控制領(lǐng)域引領(lǐng)時代的潮流，從CiA402、IEC61131-3等協(xié)議的發(fā)展來了，協(xié)議開放漸成潮流。BiSS已經(jīng)先走一步，為用戶帶來兼容性、低成本、穩(wěn)定性諸多好處。未來在中國必將取得更大發(fā)展。