So wählen Sie die ideale Sensorschnittstelle

Dieser Artikel ist erschienen in der Konstruktionspraxis / Ausgabe 11 

Bei der Auswahl und Dimensionierung der Komponenten für hochdynamische Anwendungen sind viele Aspekte zu berücksichtigen. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Übertragung der Positionsinformation vom Sensor zur übergeordneten Steuerung / zum Antriebsregler zu. Aufgrund der hohen Anzahl an unterschiedlichen Schnittstellen ist eine technische Einordnung sinnvoll.

Abgrenzung zu Feldbusschnittstellen

Viele Sensorhersteller bieten Varianten mit gängigen Feldbusschnittstellen an. Ohne Zweifel sind diese für viele Anwendungen sinnvoll. Doch je größer die Anforderungen an die Dynamik werden, umso mehr stößt man an Grenzen. Ein Grund dafür ist anhand der bekannten Automatisierungspyramide erkennbar: An der Basis der Pyramide ist die Datenmenge je Kommunikationsteilnehmer gering, bei meist hoher Signalgeschwindigkeit. Je höher man die Pyramide hinaufsteigt, umso größer ist die Datenmenge bei gleichzeitiger Abnahme der Aktualisierungszeit (Bild 1, siehe Bildergalerie). Außerdem können bei Bussystemen Telegramme zwischen anderen Teilnehmern einen Echtzeitdatenverkehr stören.

Deshalb liegen hier klassische, offene und nicht proprietäre Sensorschnittstellen im Fokus: SSI, BiSS-C, IO-Link, CAN und die für inkrementelle Signale bekannte ABZ-Schnittstelle.

Bei ABZ drängt sich eine Frage auf: Soll die Positionsbestimmung inkrementell oder absolut erfolgen? Das wird vielfach durch die Applikation beantwortet: Eine Referenzfahrt bei einem medizinischen Operationsroboter ist dem Anwender nur schwer vermittelbar. Bei einer Metallbearbeitungsmaschine hingegen ist eine Referenzierung oft vertretbar. In solchen Fällen macht es Sinn, die Vorteile einer inkrementellen Messung zu betrachten, wie weiter unten aufgeführt.

CAN-Bus ist bei geeigneter Konfiguration bedingt deterministisch

Eine Besonderheit weist der CAN-Bus auf. Die Möglichkeit der gegenseitigen Beeinflussung von Nachrichten bei Bussystemen ist grundsätzlich ebenso beim CAN-Bus zu beachten, da jeder Node selbsttätig Daten auf den Bus senden darf. Das Buszugriffsverfahren des CAN-Busses ermöglicht eine Priorisierung von Nachrichten: Beim CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) wird eine Kollision (und damit eine Zerstörung eines hochprioritären Telegramms) vermieden, indem der Teilnehmer mit niedrigerer Priorität die Sendung auf dem Bus erkennt und selbst den Sendebetrieb einstellt. Daher ist der CAN-Bus bei geeigneter Konfiguration bedingt deterministisch.

Thema Echtzeitfähigkeit: Zur Erreichung einer Datenübertragung in Echtzeit muss die Übertragung deterministisch, das heißt vorhersehbar und berechenbar, sein. Und – obwohl nicht zwingend für die Definition der Echtzeitfähigkeit vorgeschrieben – sollte die Übertragung ausreichend schnell sein. Dies führt uns zum Kriterium der Übertragungsgeschwindigkeit. Die Werte der betrachteten Systeme reichen hier von 230 kBit/s bis zu vielen MBit/s.

Reicht die Übertragungsgeschwindigkeit als entscheidendes Kriterium aus?

Als Hauptkriterium für die Auswahl wird gerne die maximale Übertragungsgeschwindigkeit / -frequenz verwendet. Doch reicht das als ausreichendes Kriterium für die Beurteilung des Zeitverhaltens aus? Wir werfen einen Blick auf die Telegramme und Kommunikationsverfahren und haben zum Zwecke der Vergleichbarkeit und unter der Annahme idealer Bedingungen, die Zeit berechnet, die für die Übertragung eines Positionswertes mit 26 Bit Auflösung benötigt wird. Die typischen Werte sind in der Tabelle in der Bildergalerie dargestellt.

Unter dem Begriff Datensicherheit lassen sich rein sprachlich viele Aspekte betrachten: Datensicherungsverfahren zur Erkennung von Übertragungsfehlern, die Beeinflussbarkeit durch externe Störungen oder die Dimensionierung eines Systems (zum Beispiel gewählte Übertragungsgeschwindigkeit und Leitungslänge), die die Sicherheit der Datenübertragung beeinflusst. Eine voll umfassende Abhandlung würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, doch trotzdem werden einige Besonderheiten der betrachteten Schnittstellen beleuchtet.

Die verschiedenen Schnittstellen im Vergleich

• SSI – Das Protokoll der synchron-seriellen Schnittstelle (SSI) ist schnell erklärt. Im Sensor befindet sich ein Schieberegister, in dem die Nutzdaten parallel gespeichert werden. Der Master gibt über eine CLOCK-Leitung einen fortlaufenden Takt aus, sobald der Sensor nun die erste fallende Flanke erkennt, wird das Schieberegister von Parallel-In in Seriell-Out umgeschaltet. Mit jeder folgenden steigenden Flanke wird ein Datenbit übertragen. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Telegrammen ist zwingend eine Pausenzeit tp (mind. 21µs) erforderlich. Da SSI auf den Standard RS422 basiert, bietet es aufgrund der differentiellen Signalübertragung eine gute Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Einflüsse. Obwohl das reine SSI keine Datensicherungsverfahren beinhaltet liegt es dem Entwickler frei, beliebige Bits (zum Beispiel Parity-Bits) einzufügen. Plausibilitätschecks aufeinanderfolgender Telegramme sind möglich und üblich.

• BiSS-C – Diese, von IC-Haus entwickelte, offene Schnittstelle, kann als Weiterentwicklung von SSI angesehen werden, auch hier wird RS422 als physikalischer Layer genutzt. Wesentliche Unterschiede sind bereits implementierte Datensicherungsverfahren (Error-Bit, Warn-Bit, CRC), und die Möglichkeit der bidirektionalen Kommunikation. Mit diesen Eigenschaften wurde BiSS-C dankbar vom Markt aufgenommen.

• IO-Link – IO-Link ist ein Markenname, hinter dem sich eine standardisierte und offene Kommunikation auf Sensorebene verbirgt. Besonders beim Einsatz von binären Sensoren hat IO-Link in den letzten Jahren an Beliebtheit gewonnen.
  Der IO-Link-Kommunikationszyklus wird stets durch eine Anfrage vom Master gestartet. Zwischen diesem Master Request und dem Beginn des Device Answer können bis zu 10 x TBit Wartezeit liegen (TBit = Zeit für die Übertragung von einem Bit, bei der max. Übertragungsrate von 230.400 Bit/s entspricht der Wert 4,3 µs). Bis zum nächsten Master Request ist eine weitere Wartezeit vorgesehen. Die Telegramme selbst bestehen aus einer Aneinanderreihung von UART-Frames (Ein Startbit, Acht Bit Nutzdaten, ein Parity-Bit und ein Stoppbit).
  Das Master Request besteht mind. aus einem Kommando (CMD-UART) und einem Checkbyte (CKT-UART). Die Antwort des Gerätes besteht aus bis zu 32 Bytes Nutzdaten (Prozessdaten, PD-UART) und einem abschließenden Checkbyte vom Device (CKS-UART).

• CAN – Als einziges Bussystem unter den hier betrachteten Schnittstellen und dem Multi-Master-Buszugriff erübrigt sich jedes Handshake und Wartezeiten. Dafür sind neben den Nutzdaten wesentlich mehr zusätzliche Bits zu übertragen als bei SSI. Doch die hohe mögliche Übertragungsrate von einem Megabit/s generieren bei der Vergleichsberechnung einen Wert von 79 µs. Zum Thema Datensicherheit sei erwähnt, dass CAN ebenfalls mit differentiellen Signalen arbeitet, und eine gute Immunität gegenüber Störungen besitzt.

• A/B/Z – Dies könnte man als die elementarste der Sensorschnittstellen benennen. Im Gegensatz zu den Vorherigen erfolgt die Übertragung hier nicht in Form eines Telegrammes, sondern parallel. Der Nachteil der parallelen Verdrahtung wird bei kurzen Strecken gerne in Kauf genommen, bewirkt er doch die Elimination einer Datenübertragungszeit wie bei seriellen Telegrammen. Die reine Datenübertragungszeit auf der Leitung liegt hier im Bereich der Lichtgeschwindigkeit. Ähnlich wie bei SSI sind Verfahren zur Datensicherung auf der Anwenderebene zu implementieren. Eine differentielle Übertragung hilft bei der Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Einflüsse.

Alle betrachteten Schnittstellen haben bei Berücksichtigung ihrer charakteristischen Eigenschaften ihre Daseinsberechtigung für die Übermittlung hochdynamischer Daten. Wie so oft werden die tatsächlichen Grenzen durch die Anwendungen definiert.

Die in der Tabelle aufgeführten Zeiten für die Übertragung von 26 Bit Nutzdaten stellen typische Werte dar, die unter gewissen (idealisierten) Annahmen berechnet wurden. Tatsächliche Werte werden in der Regel davon abweichen.

Für jede Schnittstelle einen Sensor im Programm

Elgo Electronic hat zu jeder der aufgeführten Schnittstelle Sensoren für Positions- und Winkelmesslösungen im Programm. Zwei der jüngsten Produkte aus dem Portfolio werden hier kurz vorgestellt:

• Für absolute Messungen mit hoher Auflösung stellt der CMAX2 nicht nur ein Raumwunder dar, sondern bietet dem Anwender gleich drei Schnittstellen, SSI, BiSS-C und ABZ. Dabei sind Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 15 m/s erreichbar.

• Noch schneller geht es mit dem CMIX3, dem neusten Inkrementalsensor von Elgo Electronic: Mit höchster Auflösung bis 16 nm, und bis zu 100 m/s Verfahrgeschwindigkeit stellt der robuste Sensor eine äußerst smarte Alternative zu anderen Sensoren dar.

Mit diesen beiden Neuentwicklungen stellt Elgo Electronic seine langjährige Kompetenz im Bereich magnetischer Messtechnik erneut unter Beweis und bietet den Kunden für absolute und inkrementelle magnetische Messungen leistungsstarke Lösungen.