同期シリアルインターフェース

同期シリアルインターフェース (SSI) は、マスター (コントローラなど) とスレーブ (センサーなど) 間の産業用アプリケーションで広く使用されているシリアルインターフェース規格です。SSI はRS-422 ^[1]規格に基づいており、さまざまなハードウェアプラットフォームに実装できることに加えてプロトコル効率が高いため、センサーメーカーの間で非常に人気があります。SSI はもともと、1984 年に Max Stegmann GmbH によって絶対エンコーダの位置データを送信するために開発されました。このため、一部のサーボ/ドライブ機器メーカーは、SSI ポートを「Stegmann インターフェース」と呼んでいます。これは、以前は 1990 年に失効したドイツ特許 DE 34 45 617 で保護されていました。これは、さまざまな産業環境下での測定において信頼性と堅牢性が要求されるアプリケーションに非常に適しています。

これはシリアル ペリフェラル インターフェイス バス(SPI)とは異なります。SSI バスは差動、単方向、非多重化であり、タイムアウトを使用してデータをフレーム化します。SPI バスはシングルエンド、二重であり、チップ選択信号を使用してデータをフレーム化します。ただし、マイクロコントローラ上の SPI 周辺機器は、外部差動ドライバ IC とプログラム制御のタイミングで SSI を実装できます。

SSI は、デジタル データ伝送用の同期ポイントツーポイント シリアル通信チャネルです。同期データ伝送では、受信側と送信側で共通のクロック信号を使用して伝送を同期することでデータが伝送されます。開始ビットと停止ビットが存在しないため、より多くのメッセージ ビットに対してデータ伝送帯域幅をより有効に活用でき、伝送プロセス全体がよりシンプルで簡単になります。クロックには独自の帯域幅が必要であり、2 つのデバイス間の通信に必要な合計帯域幅を決定する際に含める必要があります。

一般的には、前述のように、マスター (例: PLC、マイクロコントローラ) からスレーブ (例:ロータリー エンコーダ) へのポイントツーポイント接続です。マスターはクロック シーケンスを制御し、スレーブはシフト レジスタを介して現在のデータ/値を送信します。マスターによって呼び出されると、データはシフト レジスタからクロック出力されます。マスターとスレーブは、コントローラの共通クロックによって同期されます。

CLOCK および DATA 信号は、RS-422 規格に従って送信されます。RS-422 は、ANSI/TIA/EIA-422-B とも呼ばれ、平衡電圧デジタル インターフェイス回路の電気的特性を指定する技術規格です。データは平衡または差動信号を使用して送信されます。つまり、CLOCK および DATA ラインはツイストペア ケーブルです。

入力ではオプトカプラを使用して電磁干渉 (EMI) を改善できるため、長い伝送距離や厳しい外部環境でも信頼性の高い通信チャネルを実現できます。

インターフェースの設計は単純です。2 組のワイヤで構成され、1 組はマスターからのクロック信号を送信し、もう 1 組はスレーブからのデータを送信します。クロック シーケンスは、必要に応じてマスターによってトリガーされます。100 kHz から 2 MHz までのさまざまなクロック周波数を使用でき、クロック パルスの数は送信されるデータ ビットの数によって異なります。

最も単純な SSI スレーブ インターフェイスでは、再トリガー可能なモノステーブルマルチバイブレーター(モノフロップ) を使用して、センサーの現在の値を固定します。スレーブの現在の固定値はシフト レジスタに保存されます。これらの値は、コントローラーによって開始されると、順番にクロック出力されます。

データ形式は、データの適切な通信を保証するように設計されています。データ転送のプロトコルは、3 つの異なる後続部分 (先頭の「1」 -> データ ビット -> 末尾の「0」) に基づいています。このタイプの形式の主な意義は、インターフェイスの適切な動作を保証し、ハードウェアまたはソフトウェア エラーのない安​​全なデータ転送を実現することです。

アイドル状態では、クロックは高レベルであり、センサー出力も高レベルであるため、断線したワイヤ接点を検出するために使用できます。これは、インターフェースの適切な動作状態を監視するのに役立ちます。

n 個の CLOCK パルス (立ち上がりエッジ) の後、データが完全に送信されます。次の CLOCK パルス (立ち上がりエッジ n+1) で、センサー出力が低レベルになり、ケーブルの短絡を検出するために使用できます。n+1 個の立ち上がりエッジの後でも高レベルである場合、インターフェイスに短絡があることを意味します。

複数のスレーブ（最大 3 台）からの読み取りは、それらを共通クロックに接続することで同時に有効にできます。ただし、グランド ループを回避し、スレーブを電気的に分離するには、オプトカプラによる完全なガルバニック絶縁が必要です。

次のキーワードは、SSI データ転送手順を理解するのに役立ちます。

• 'tm' は転送タイムアウト (モノフロップ時間) を表します。これは、スレーブがデータ転送が完了したことを認識するために必要な最小時間です。tm 後、データ ラインはアイドル状態になり、スレーブはシフト レジスタ内のデータを更新し始めます。
• 「tp」は一時停止時間を表します。これは、マスターからの 2 つの連続するクロック シーケンス間の時間遅延です。
• 「tw」は繰り返し時間を表します。これは同じデータの再送信間の最小経過時間であり、常に tm より短くなります。
• 「T」は各クロック サイクルの幅を表します。連続したクロック シーケンス内の 2 つの立ち下がりエッジまたは 2 つの立ち上がりエッジ間の所要時間です。
• MSB: 最上位ビット
• LSB: 最下位ビット

次の図は、SSI プロトコルを使用した単一のデータ転送を示しています。

SSI は最初はアイドル モードであり、データ ラインとクロック ラインの両方が HIGH のままで、スレーブは現在のデータを更新し続けます。

送信モードは、マスターがクロックパルス列を開始すると起動します。スレーブがクロック信号の開始 (1) を受信すると、現在のデータを自動的に固定します。クロックシーケンスの最初の立ち上がりエッジ (2) で、センサーの値の MSB が送信され、その後の立ち上がりエッジで、ビットが出力に順番に送信されます。

完全なデータワード (3) の送信 (つまり LSB の送信) 後、クロックの追加の立ち上がりエッジによりクロック ラインが HIGH に設定されます。データ ラインは LOW に設定され、転送タイムアウトを認識するために一定時間 tm の間その状態のままになります。その時間内にクロック信号 (データ出力要求) が受信されると、同じデータが再度送信されます (複数送信)。

スレーブは値の更新を開始し、時間 tm 内にクロック パルスがない場合、データ ラインは HIGH (アイドル モード) に設定されます。これで、データ ワードの単一送信の終了が示されます。スレーブが時間 tp (>= tm) でクロック信号を受信すると、更新された位置値が固定され、前述のように値の送信が開始されます。

同じデータの複数回の送信は、最下位ビットの送信後も連続的にクロッキングが行われる場合、つまりクロック パルスによってモノフロップが定常状態にならない場合にのみ発生します。これは、以下の図に示されています。

初期シーケンスは、単一送信の場合と同じです。アイドル状態では、CLOCK ラインと DATA ラインはハイですが、最初の立ち下がりエッジの到着とともに送信モードが呼び出され、同様にデータ ビットは立ち上がりエッジごとに MSB から順に送信されます。LSB の送信は、データの送信が完了したことを意味します。追加の立ち上がりエッジにより、データ ラインが LOW にプッシュされ、特定のデータの送信が終了したことを示します。

しかし、その後もクロックパルスが連続している場合（つまり、次のクロックパルスが tw (< tm ) 以内に来る場合）、スレーブの値は更新されません。これは、モノフロップがまだ不安定で、シフトレジスタの値が以前と同じ値のままであるためです。そのため、次の立ち上がりエッジ、つまり n+1 の立ち上がりエッジの後、同じデータの送信が継続され、前に送信されたデータの MSB が tw の終わりに再送信されます。

その後、以前の送信と同じ手順が実行され、同じデータが複数回送信されます。スレーブの値は、2 つのクロック パルス間のタイミングが転送タイムアウト tm を超えた場合にのみ更新されます。

複数回の送信は、データの整合性をチェックするために使用されます。連続して受信した 2 つの値を比較し、2 つの値の違いは送信の失敗を示します。

データの送信はマスターによって制御され、クロック シーケンスを tm より長い期間停止することでいつでも送信を中断できます。スレーブは自動的に転送タイムアウトを認識し、アイドル モードになります。

SSI は RS-422 規格に基づいているため、適切なケーブルを選択し、ケーブルの長さとクロック周波数の制限内に留まる必要があります。

ケーブル長とクロック周波数の関係は、次の図に示されています。^[2]これは、保守的なガイドとして使用できます。この曲線は、100 オームの抵抗負荷で終端されたシャント容量 52.5 pF/メートル (16 pF/フィート) の 24 AWG標準、銅導体、シールドなしツイストペア電話ケーブルを使用した実験データに基づいています。曲線で示されているケーブル長の制限は、次の想定される負荷信号品質要件に基づいています。

1. 信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間は、適用可能なデータ スイッチング レートでの 1/2 単位間隔以下です。
2. 発電機と負荷間の最大電圧損失は66%

高速データ レートを使用する場合、アプリケーションは短いケーブルに制限されます。低速データ レートを使用する場合は、より長いケーブルを使用できます。ケーブルの DC 抵抗により、ケーブルの電圧降下が増加するにつれてノイズ マージンが増加するため、低速データ レート アプリケーションではケーブルの長さが制限されます。ケーブルの AC 効果により信号の品質が制限され、高速データ レートを使用する場合はケーブルの長さが短い距離に制限されます。データ レートとケーブルの長さの組み合わせの例は、RS-422 の場合、1.2 km で 90 kbit/s から 5 m で 10 Mbit/s までさまざまです。

ツイストペア 24 AWG、52.5 pF/メートル (16 pF/フィート) とは異なる特性を持つケーブルも、上記の範囲内で使用できます。まず、図から希望するデータ信号速度に関連するケーブル長によって提供される、一般的な 24 AWG ケーブルの絶対ループ抵抗値と静電容量値を決定します。次に、それらの値を実際に使用するケーブルの同等の長さに変換します。たとえば、19 AWG を使用するとより長い距離が可能になりますが、28 AWG の場合はより短い距離が必要になります。

マスターとスレーブを隔てるケーブルの最大許容長さは、データ信号速度の関数であり、許容可能な信号歪み、縦方向結合ノイズの量、およびマスターとスレーブ回路間に生じる接地電位差によって影響を受けます。したがって、ケーブルの長さを最小限に制限することをお勧めします。使用するケーブルの種類と長さは、特定のアプリケーションに必要な信号品質を維持できるものでなければなりません。さらに、ケーブルのバランスは、生成と受信の両方で許容可能なクロストーク レベルを維持できるものでなければなりません。

一部のメーカーや組織^[3]は、基本的な SSI プロトコルに追加情報を追加しました。これは主に、適切なデータ伝送を保証するために行われました。安全な伝送とデータ伝送の終了を示すために、CRC ビットまたはパリティ ビットを追加できます。簡単に言えば、バイトが正しく解釈され受信されたかどうかを識別するために使用されました。元の仕様では、データの整合性を保証するために複数の伝送が使用されました。この場合、同じデータの 2 つの連続した伝送が開始され、伝送エラーが比較されました。ただし、これにより、並列データ伝送と比較してプロトコルの効率が 50% 低下します。

• シリアル データ転送により配線が削減されました。これにより、最小限のコンポーネントを使用することで SSI 設計がシンプルになったことに加え、コストが大幅に削減され、メッセージ ビットの伝送帯域幅が拡大しました。
• RS-422 規格による高い電磁干渉耐性と、差動信号によるデータ伝送の信頼性の向上。
• 最適なガルバニック絶縁
• 転送されるビット数に対する完全なプロトコル柔軟性。特定のワード数に制限されず、メッセージ サイズを任意に選択できます。
• スレーブはマスターのクロックを使用するため、高精度の発振器は必要ありません。
• SSI では、最大 3 つのスレーブを共通クロックに接続できます。そのため、複数のセンサーから値を取得できます。

このインターフェースの制限は、産業オートメーションのアプリケーションでは無視できるほど小さいものです。SSI は最大 1.2 km の通信しか処理できず、1 つのマスターデバイスのみをサポートします。しかし、1.2 km はオートメーション業界標準の通信には十分な距離です。フィールド バスやイーサネットに基づく高度な通信システムと比較すると、SSI はマスター スレーブ アーキテクチャと、マスターとスレーブ間の単純なポイント ツー ポイント通信に制限されます。もう 1 つの欠点は、ハードウェアスレーブ確認応答、つまり通信用の スレーブの検出がないことです。

• BiSSインターフェース

• POSITAL、マイクロコントローラへのSSIデバイス接続、[1]
• National Instruments、「シリアル同期インターフェイス (SSI) とは何ですか?」
• Texas Instruments、「SSI と SPI は互換性のある用語」
• SSI (ドイツ語)、「Synchron-Serielle Schnittstelle」