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(zhuān)門(mén)為滿足實(shí)時(shí)、雙向、高速的傳感器通信而設(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器與編碼器通信。

編碼器總線的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)。編碼器也在向數(shù)字化發(fā)展，從而帶來(lái)傳絕對(duì)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(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用最多，編碼器總線要滿足運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)精度、分辨率、響應(yīng)速度的要求，應(yīng)包括如下幾個(gè)特征：

1、高速通信

2、時(shí)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(shí)延是影響編碼器精度的重要因素。運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出“讀指令”的時(shí)刻到編碼器開(kāi)始采樣這段時(shí)間理想情況下應(yīng)是是固定的。這個(gè)時(shí)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(shí)現(xiàn)編碼器通信的情況。首先，伺服控制器發(fā)出一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間，時(shí)長(zhǎng)是固定的么？作為對(duì)比，BiSS在MA（MA是主機(jī)發(fā)出的時(shí)鐘）的第一上升沿采樣數(shù)據(jù)，理論上是沒(méi)有延遲的。

可以說(shuō)，通用現(xiàn)場(chǎng)總線目前還不適合高速編碼器通信。專(zhuān)門(mén)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(kāi)發(fā)，有很強(qiáng)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(guó)際通用協(xié)議且協(xié)議開(kāi)放。BiSS通信協(xié)議目前的版本是BISS-C，應(yīng)用BISS無(wú)需任何許可費(fèi)用，BiSS協(xié)會(huì)會(huì)員還可以申請(qǐng)獲得免費(fèi)的IP核源代碼和相關(guān)技術(shù)支持，維持BiSS協(xié)會(huì)會(huì)員資格無(wú)需繳納任何費(fèi)用，申請(qǐng)入會(huì)也是免費(fèi)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(guò)64個(gè)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(shí)分復(fù)用，包括每個(gè)通信周期傳輸一幀的數(shù)據(jù)通信信道和傳輸一個(gè)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(dú)立，互不干涉。對(duì)于不需要寄存器通信的應(yīng)用場(chǎng)合，可以使用BiSS-CUnidirectional版本。這個(gè)版本的協(xié)議沒(méi)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(jī)制確保數(shù)據(jù)可靠，BiSS的延遲補(bǔ)償技術(shù)能補(bǔ)償傳輸線帶來(lái)的信號(hào)延遲，采用兩組CRC生成多項(xiàng)式分別對(duì)傳感器數(shù)據(jù)與寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。BiSS協(xié)議幀還包括一位報(bào)警位和一位錯(cuò)誤位，CRC生成多項(xiàng)式可自定義。6位CRC能滿足大多數(shù)應(yīng)用，對(duì)于高安全場(chǎng)合（例如需要滿足歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)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(shí)鐘信號(hào)同步傳感器數(shù)據(jù)，傳感器在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)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(shí)延補(bǔ)償，特別適合電機(jī)控制等對(duì)時(shí)間位置關(guān)系要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合。

這反映BiSS對(duì)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(guò)BiSS可以構(gòu)成單總線傳感器環(huán)網(wǎng)，一個(gè)通信周期采集全部傳感數(shù)據(jù)，并且信號(hào)采集是同步的。

這反映BiSS的擴(kuò)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(lái)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(wú)需修改任何程序。

這反映了BiSS高度的開(kāi)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(guò)差分信號(hào)向傳感器提供時(shí)鐘，傳感器同步地通過(guò)差分信號(hào)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(chēng)為Master，傳感器被稱(chēng)為Slave。在point-to-point方式下，Master可以接收Slave的數(shù)據(jù)，同時(shí)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(jī)組網(wǎng)方式，叫Multi-slaveNetworking。Master在一個(gè)周期可以內(nèi)完成與多個(gè)Slave之間的通信。所有的設(shè)備按照菊花鏈?zhǔn)孜策B接，每個(gè)Slave有兩個(gè)端口，分別用于接收前端信號(hào)和向后端發(fā)送信號(hào)。這是一種類(lèi)似流水線的工作方式，每個(gè)Slave接收上一個(gè)Slave的數(shù)據(jù)放在自己的發(fā)送隊(duì)列隊(duì)尾，同時(shí)將自身的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)出。整個(gè)通信由Master發(fā)出的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步。Master通過(guò)MO信號(hào)將Actuator數(shù)據(jù)串行地移入到每個(gè)Slave，同時(shí)通過(guò)SL信號(hào)依次接收每個(gè)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(shí)的BiSS通信幀。MA由Master發(fā)出用于驅(qū)動(dòng)通信，SL是Slave發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)。完成1個(gè)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(duì)于每一個(gè)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(gè)Slave發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。

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

BiSS通信過(guò)程可以描述為如下幾個(gè)狀態(tài)的切換：IDLE（空閑），StartFrame（幀開(kāi)始），Tranmission（發(fā)送），Timeout（超時(shí)）。

IDLE，空閑狀態(tài)；BiSS通信空閑，MA，SL保存常高。

StartFrame，開(kāi)始幀通信：MA發(fā)送時(shí)鐘，在MA第一個(gè)上升沿，Slave鎖存?zhèn)鞲衅鳡顟B(tài)。在MA第二個(gè)上升沿，編碼器將SL拉低，用于應(yīng)答Master的通信請(qǐng)求。

理想狀態(tài)下，SL拉低與MA第二上升沿的時(shí)延很小，在實(shí)際系統(tǒng)中，由于長(zhǎng)線延遲、信號(hào)整形、濾波以及信號(hào)傳遞通過(guò)多級(jí)門(mén)電路等因素的綜合作用，SL相對(duì)MA信號(hào)存在一定的相移，造成SL拉低滯后MA第二上升沿一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間被稱(chēng)為line-delay線路延遲，如果SL信號(hào)采樣電路不能修正這個(gè)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(hào)被可靠地采樣。BiSS規(guī)定每個(gè)通信幀發(fā)起時(shí)都要檢測(cè)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(hào)從常高拉低后維持一段時(shí)間。這段時(shí)間叫ACK，表示Slave響應(yīng)了MA信號(hào)，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(duì)于特定的Slave，其ACK的長(zhǎng)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(gè)BIT的START位（常‘1’），表示Slave數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。開(kāi)始數(shù)據(jù)發(fā)送。

SL會(huì)順次發(fā)1個(gè)BIT的CDS信號(hào)，1個(gè)單周期字段（SCD）；BiSS規(guī)定單周期字段長(zhǎng)度要大于4個(gè)BIT，小于64個(gè)BIT。對(duì)于特定應(yīng)用，字段長(zhǎng)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(gè)BIT的多圈計(jì)數(shù)、17個(gè)BIT的單圈位置，2個(gè)BIT的錯(cuò)誤告警和6個(gè)BIT的CRC校驗(yàn)）。這個(gè)期間，MA持續(xù)輸出脈沖。

Timeout，（超時(shí)）：當(dāng)SCD發(fā)出完成后，SL維持0.5~40us的低電平，這個(gè)時(shí)間段被稱(chēng)為T(mén)imeout，對(duì)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(hào)，該信號(hào)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(hào)。當(dāng)Master與Slave進(jìn)行個(gè)多個(gè)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(gè)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(xiě)時(shí)序。通過(guò)時(shí)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(yàn)，和讀回校驗(yàn)（針對(duì)寫(xiě)時(shí)序）。

BiSS的寄存器通信占用帶寬很少，對(duì)比EnData2.2和NRZ等有優(yōu)勢(shì)。這是由于伺服控制器初始化時(shí)讀編碼器參數(shù)情況多，正常工作時(shí)用戶通常只關(guān)注錯(cuò)誤報(bào)警信息，BiSS將錯(cuò)誤報(bào)警信息放在實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)通信中，把耗時(shí)的寄存器通信用CDS和CDM實(shí)現(xiàn)，這種根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)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(shí)延。所以，使用BiSS編碼器能帶來(lái)更好的控制效果。

圖6BiSS寄存器通信寫(xiě)時(shí)序

圖7BiSS寄存器通信讀時(shí)序

BiSS通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法

1、硬件解碼

對(duì)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(shí)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(gè)LE（將BiSS與MCU的接口設(shè)置為SPI時(shí)的編譯的結(jié)果）或等效資源數(shù)。如果僅想實(shí)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(gè)LE（增加時(shí)鐘分頻電路和SPI接口后需150個(gè)以上的LE）或等效資源數(shù)。自行設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是線延遲的處理，對(duì)于外引線很短或無(wú)外引線的應(yīng)用，線延遲的變化很小，這時(shí)可以設(shè)計(jì)延遲固定的采樣時(shí)鐘，否則每個(gè)周期要進(jìn)行一次線延遲補(bǔ)償。

2、軟件解碼

用戶可以通過(guò)IO模擬的BiSS時(shí)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(duì)于很多應(yīng)用，節(jié)約的成本十分可觀，同時(shí)對(duì)于產(chǎn)品的系列化有優(yōu)勢(shì)。一個(gè)功能強(qiáng)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(duì)于BiSS可以利用SPI的SCK可以用來(lái)模擬MA，MISO可以模擬SL。這樣用需考慮三個(gè)問(wèn)題：

1、MCU硬件模塊的FIFO深度。有些MCU，外設(shè)的SPI寄存器長(zhǎng)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(lái)問(wèn)題，造成通信出錯(cuò)。

2、MCU硬件模塊是否具備線延遲補(bǔ)償?shù)哪芰?。具有線延遲補(bǔ)償能力的外設(shè)，可以應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的變化帶來(lái)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(méi)有線延遲補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)高得多。

3、CRC解碼能力，CRC校驗(yàn)對(duì)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(diǎn)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(jì)等等。

3、混合解碼

如果既想利用硬件解碼，又想降低成本?？梢允褂没旌辖獯a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(hào)引出交給MCU處理。這種方案是一種過(guò)渡性質(zhì)的方案，同時(shí)也是很實(shí)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(huì)逐漸淘汰，以降低系統(tǒng)之間的耦合性。

4、BiSS通信幀實(shí)例

圖8給出了BiSS通信幀的實(shí)例，幫助讀者直觀地了解BiSS通信過(guò)程。

圖8：BiSS通信幀實(shí)例

BiSS通信協(xié)議與其他通信協(xié)議的對(duì)比

如下表1標(biāo)所示，BiSS通信協(xié)議在協(xié)議開(kāi)放性（Availablity）、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Connectivity、Master/slavecount、Multi-slavesynchronization）和線延遲補(bǔ)償（Linedelaycompensation）具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，在高速性（Transmissionrate）和時(shí)延（Mincycletime）與Endat2.2相當(dāng)。同時(shí)，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(duì)比

BiSS通信協(xié)議的現(xiàn)狀和發(fā)展

BiSS通信協(xié)議經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，在歐洲應(yīng)用較廣，在中國(guó)也得到主要驅(qū)動(dòng)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(guò)278家廠商成為BiSS協(xié)議會(huì)員。

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