La interfaz serial síncrona (SSI) es un estándar de interfaz serial ampliamente utilizado para aplicaciones industriales entre un maestro (por ejemplo, un controlador) y un esclavo (por ejemplo, un sensor). La SSI se basa en los estándares RS-422 [1] y tiene una alta eficiencia de protocolo además de su implementación en varias plataformas de hardware, lo que la hace muy popular entre los fabricantes de sensores. La SSI fue desarrollada originalmente por Max Stegmann GmbH en 1984 para transmitir los datos de posición de los codificadores absolutos ; por esta razón, algunos fabricantes de equipos servo/de accionamiento se refieren a su puerto SSI como una "interfaz Stegmann". Anteriormente estaba cubierta por la patente alemana DE 34 45 617 que expiró en 1990. Es muy adecuada para aplicaciones que exigen confiabilidad y robustez en las mediciones en entornos industriales variables.
Es diferente del bus de interfaz periférica serial (SPI): un bus SSI es diferencial , simplex , no multiplexado y se basa en un tiempo de espera para enmarcar los datos. Un bus SPI es de un solo extremo , dúplex y utiliza una señal de selección de chip para enmarcar los datos. Sin embargo, los periféricos SPI en microcontroladores pueden implementar SSI con circuitos integrados de controlador diferencial externo y temporización controlada por programa.
SSI es un canal de comunicación serial sincrónico punto a punto para la transmisión de datos digitales. La transmisión sincrónica de datos es aquella en la que los datos se transmiten sincronizando la transmisión en los extremos de recepción y envío utilizando una señal de reloj común. Dado que los bits de inicio y de parada no están presentes, esto permite un mejor uso del ancho de banda de transmisión de datos para más bits de mensaje y hace que todo el proceso de transmisión sea más simple y fácil. El reloj necesita su propio ancho de banda y debe incluirse al determinar el ancho de banda total requerido para la comunicación entre los dos dispositivos.
En general, como se mencionó anteriormente, se trata de una conexión punto a punto de un maestro (por ejemplo, PLC, microcontrolador) a un esclavo (por ejemplo, codificadores rotatorios ). El maestro controla la secuencia de reloj y el esclavo transmite los datos/valores actuales a través de un registro de desplazamiento. Cuando el maestro lo invoca, los datos se registran en el registro de desplazamiento. El maestro y el esclavo están sincronizados por el reloj común del controlador.
Las señales de RELOJ y DATOS se transmiten según los estándares RS-422. RS-422, también conocido como ANSI/TIA/EIA-422-B, es un estándar técnico que especifica las características eléctricas del circuito de interfaz digital de voltaje balanceado. Los datos se transmiten utilizando señalización balanceada o diferencial, es decir, las líneas de RELOJ y DATOS son cables de par trenzado.
Las entradas pueden utilizar un optoacoplador para mejorar la interferencia electromagnética (EMI), lo que lo convierte en un canal de comunicación confiable en largas distancias de transmisión y entornos externos hostiles.
La interfaz tiene un diseño sencillo. Consta de 2 pares de cables, uno para transmitir las señales de reloj del maestro y el otro para transmitir los datos del esclavo. Las secuencias de reloj son activadas por el maestro cuando surge la necesidad. Se pueden utilizar diferentes frecuencias de reloj, que van desde 100 kHz hasta 2 MHz, y el número de pulsos de reloj depende del número de bits de datos que se van a transmitir.
La interfaz esclava SSI más sencilla utiliza un multivibrador monoestable reactivable (monoflop) para congelar el valor actual del sensor. Los valores congelados actuales del esclavo se almacenan en registros de desplazamiento. Estos valores se registran secuencialmente cuando los inicia el controlador.
El formato de los datos está diseñado de tal manera que garantiza una comunicación adecuada de los datos. El protocolo para la transmisión de datos se basa en tres partes sucesivas diferentes (Inicio - "1" -> Bits de datos -> Final - "0"). La principal importancia de este tipo de formato es garantizar el correcto funcionamiento de la interfaz y, por lo tanto, una transmisión segura de los datos sin errores de hardware o software.
En estado inactivo, el RELOJ está en un nivel alto y la salida del sensor está en un nivel alto, por lo que se puede utilizar para detectar cualquier contacto de cable roto. Esto ayuda a observar el estado de funcionamiento adecuado de la interfaz.
Después de n pulsos CLOCK (flancos ascendentes), los datos se transmiten por completo. Con el siguiente pulso CLOCK (flanco ascendente n+1), la salida del sensor pasa a un nivel bajo que se puede utilizar para detectar un cortocircuito en el cable. Si es alto incluso después de n+1 flancos ascendentes, significa que la interfaz tiene un cortocircuito.
Se pueden habilitar lecturas simultáneas de varios esclavos (hasta tres) conectándolos a un reloj común. Sin embargo, para evitar bucles de tierra y aislar eléctricamente al esclavo, se necesita un aislamiento galvánico completo mediante optoacopladores.
Las siguientes palabras clave serán útiles para comprender el procedimiento de transmisión de datos SSI.
El diagrama ilustra la transmisión de datos individuales utilizando el protocolo SSI:
El SSI está inicialmente en modo inactivo, donde las líneas de datos y de reloj permanecen ALTAS y el esclavo sigue actualizando sus datos actuales.
El modo de transmisión se evoca cuando el maestro inicia un tren de pulsos de reloj. Una vez que el esclavo recibe el comienzo de la señal de reloj (1), congela automáticamente sus datos actuales. Con el primer flanco ascendente (2) de la secuencia de reloj, se transmite el MSB del valor del sensor y con los flancos ascendentes consecuentes, los bits se transmiten secuencialmente a la salida.
Después de la transmisión de la palabra de datos completa (3) (es decir, se transmite LSB), un flanco ascendente adicional del reloj establece la línea de reloj en ALTO. La línea de datos se establece en BAJO y permanece allí durante un período de tiempo, tm, para reconocer el tiempo de espera de transferencia. Si se recibe una señal de reloj (solicitud de salida de datos) dentro de ese tiempo, se transmitirán nuevamente los mismos datos (transmisión múltiple).
El esclavo comienza a actualizar su valor y la línea de datos se establece en ALTA (modo inactivo) si no hay pulsos de reloj dentro del tiempo tm. Esto marca el final de la transmisión única de la palabra de datos. Una vez que el esclavo recibe una señal de reloj en un momento, tp (>=tm), el valor de posición actualizado se congela y la transmisión del valor comienza como se describió anteriormente.
Las transmisiones múltiples de los mismos datos solo ocurren si hay un reloj continuo incluso después de la transmisión del bit menos significativo, es decir, los pulsos de reloj no permiten que el monoflop pase a un estado estable. Esto se ilustra a continuación.
Las secuencias iniciales son las mismas que las de la transmisión simple. En el estado inactivo, las líneas CLOCK y DATA están en estado alto, pero con la llegada del primer flanco descendente, se evoca el modo de transmisión y, de manera similar, los bits de datos se transmiten secuencialmente, comenzando con el MSB con cada flanco ascendente. La transmisión del LSB significa que la transmisión de los datos se ha completado. Un flanco ascendente adicional empuja la línea de datos a BAJO, lo que significa el final de la transmisión de los datos en particular.
Pero, si hay pulsos de reloj continuos incluso después de eso (es decir, los siguientes pulsos de reloj llegan en el tiempo tw (< tm )), el valor del esclavo no se actualiza. Esto se debe a que el monoflop aún es inestable y el valor en el registro de desplazamiento aún contiene el mismo valor que antes. Entonces, con el siguiente flanco ascendente, es decir, después del flanco ascendente n+1, la transmisión de los mismos datos continúa y el MSB de los datos transmitidos anteriormente se retransmite al final de tw.
Luego, sigue el mismo procedimiento que las transmisiones anteriores, lo que da lugar a múltiples transmisiones de los mismos datos. El valor del esclavo se actualiza solo cuando el tiempo entre dos pulsos de reloj es mayor que el tiempo de espera de transferencia, tm.
Se utiliza la transmisión múltiple para comprobar la integridad de los datos. Se comparan los dos valores recibidos consecutivos; las diferencias entre los dos valores indican fallos de transmisión.
La transmisión de datos está controlada por el maestro y la transmisión puede interrumpirse en cualquier momento deteniendo la secuencia de reloj durante un período mayor que tm. El esclavo reconocerá automáticamente el tiempo de espera de transferencia y pasará al modo inactivo.
Dado que SSI se basa en los estándares RS-422, es necesario seleccionar cables apropiados y respetar los límites de longitud del cableado y frecuencias de reloj.
La relación entre la longitud del cable y la frecuencia de reloj se muestra en la siguiente figura. [2] Esto se puede utilizar como una guía conservadora. Esta curva se basa en datos empíricos utilizando un cable telefónico de par trenzado sin blindaje, con conductor de cobre, de calibre 24 AWG estándar, con una capacitancia de derivación de 52,5 pF/metro (16 pF/pie) terminada en una carga resistiva de 100 ohmios. La restricción de longitud del cable que se muestra en la curva se basa en los requisitos de calidad de la señal de carga asumidos de:
Cuando se utilizan velocidades de datos altas, la aplicación se limita a cables más cortos. Es posible utilizar cables más largos cuando se utilizan velocidades de datos bajas. La resistencia de CC del cable limita la longitud del cable para aplicaciones de baja velocidad de datos al aumentar el margen de ruido a medida que aumenta la caída de voltaje en el cable. Los efectos de CA del cable limitan la calidad de la señal y limitan la longitud del cable a distancias cortas cuando se utilizan velocidades de datos altas. Los ejemplos de combinaciones de velocidad de datos y longitud de cable varían de 90 kbit/s a 1,2 km a 10 Mbit/s a 5 m para RS-422.
También se pueden emplear cables con características diferentes a las del par trenzado de calibre 24 AWG, 52,5 pF/metro (16 pF/pie), dentro de los límites mencionados anteriormente. En primer lugar, determine los valores absolutos de resistencia de bucle y capacitancia del cable de calibre 24 AWG típico proporcionados por la longitud del cable asociada con la velocidad de señalización de datos deseada a partir de la figura. Luego convierta esos valores a longitudes equivalentes del cable realmente utilizado. Por ejemplo, serían posibles distancias más largas al utilizar calibre 19 AWG, mientras que serían necesarias distancias más cortas para calibre 28 AWG.
La longitud máxima permitida del cable que separa el circuito maestro del esclavo es una función de la velocidad de la señalización de datos y está influida por la distorsión de señal tolerable, la cantidad de ruido acoplado longitudinalmente y las diferencias de potencial de tierra introducidas entre el circuito maestro y el esclavo. En consecuencia, se recomienda a los usuarios que limiten la longitud del cable al mínimo. El tipo y la longitud del cable utilizado deben ser capaces de mantener la calidad de señal necesaria para la aplicación particular. Además, el equilibrio del cable debe ser tal que mantenga niveles aceptables de diafonía, tanto generada como recibida.
Algunos fabricantes y organizaciones [3] añadieron información adicional al protocolo SSI básico. Esto se hizo principalmente para garantizar la transmisión adecuada de los datos. Para una transmisión segura y para indicar el final de la transmisión de datos, se pueden añadir bits CRC o bits de paridad. En palabras sencillas, se utilizaban para identificar si el byte se había interpretado y recibido correctamente. En la especificación original se utilizaban múltiples transmisiones para garantizar la integridad de los datos. En este caso, se iniciaban dos transmisiones consecutivas de los mismos datos y se comparaban para detectar cualquier error en la transmisión. Sin embargo, esto reduce la eficiencia del protocolo en un 50% en comparación con la transmisión de datos en paralelo.
Las limitaciones de esta interfaz son insignificantes para aplicaciones en automatización industrial. SSI puede manejar comunicaciones solo hasta 1,2 km y admite solo un dispositivo maestro . Sin embargo, 1,2 km es una distancia bastante buena para la comunicación según los estándares de la industria de la automatización. En comparación con los sistemas de comunicación avanzados basados en buses de campo o Ethernet, SSI se limita a una arquitectura maestro-esclavo y una comunicación punto a punto simple entre un maestro y un esclavo . Otra desventaja es que no hay reconocimiento de esclavo de hardware, es decir, detección de esclavo para comunicación.