编码器通信新篇章：BiSS总线技术深度解析

编码器通信新篇章：BiSS总线技术深度解析

BiSS通信协议是一种专为实时、双向、高速编码器通信设计的全双工同步串行总线通信协议。它在硬件层面与工业标准的SSI（同步串行接口协议）总线协议保持兼容，因此特别适用于运动控制领域，特别是伺服驱动器与编码器之间的通信。

编码器总线的发展态势与现状

随着现场总线技术的日益成熟和SOC片上系统的广泛应用，控制系统正朝着全数字化的方向迈进，这已成为该领域的发展重点和研究焦点。编码器作为这一变革中的关键部分，其数字化发展带动了绝对式编码器和相关通信总线的技术革新。鉴于编码器在运动控制中的广泛应用，编码器总线必须满足运动控制器对精度、分辨率和响应速度的高标准需求。具体而言，这些需求可归结为以下五大特性：

高速通信：确保更快的响应速度。
时延固定：保证编码值的物理意义准确性，便于伺服控制器的算法调整。
数据诊断：提高系统的稳定性和可靠性。
双向通信：实现信息的实时交互。
低成本：满足广泛的市场应用需求。
若考虑使用CAN总线进行编码器通信，我们会发现其通信过程中存在采样滞后的问题，且这个滞后时间并非固定。相较之下，BiSS在MA（主机发出的时钟）的第一个上升沿即进行数据采样，理论上实现了无延迟的通信。

目前，通用现场总线在高速编码器通信方面的应用仍显不足。市场上多数专门用于高速数据通信的传感器总线是由编码器厂商自行开发的，因此具有较强的封闭性。尽管如此，也有一些开放且通用的协议崭露头角，如BiSS。BiSS不仅是一个国际通用的协议，而且其协议本身是开放的。目前，BiSS通信协议已发展至BISS-C版本，其使用无需支付任何许可费用。此外，BiSS协会的会员还能享受免费的IP核源代码和技术支持，而且会员资格和入会申请均无需缴纳费用。

BiSS通信协议的核心技术特点

二线串行同步数据总线设计，无论是采用RS422接口实现高达10Mbit/s的波特率，还是使用LVDS接口实现超过10Mbit/s的传输速率，都充分展现了BiSS出色的响应速度。

通信效率极高，每10微秒即可传输超过64个比特，有效负载率高达80%以上。这充分说明了BiSS能够轻松承载高分辨率编码器数据，满足高精度控制需求。

线路时分复用技术的运用，使得数据通信信道和寄存器通信信道在每个通信周期内得以高效传输。两者完全独立，互不干扰。针对无需寄存器通信的应用场景，BiSS提供了CUnidirectional版本，进一步简化了通信过程。这一特性提升了控制系统的稳定性和操作便利性。

BiSS采用了多种安全机制，确保数据传输的可靠性。其中，延迟补偿技术有效弥补了传输线带来的信号延迟问题。同时，两组CRC生成多项式分别对传感器数据与寄存器数据进行校验，增强了数据的完整性。此外，协议帧中的报警位和错误位，以及可自定义的CRC生成多项式，都为数据传输提供了强大的安全保障。特别是在高安全要求的场合，BiSS还支持使用16位CRC，进一步提升数据传输的可靠性。

数据同步是BiSS协议的另一大特点。利用时钟信号同步传感器数据，确保每个传感器在接收到第一个时钟脉冲时进行数据更新。这种设计使得每一帧数据到达后续电子设备的传输延迟保持一致，方便进行时延补偿。因此，BiSS特别适用于对时间位置关系要求苛刻的应用场景，如电机控制等。

BiSS还具备强大的组网能力。通过构建单总线传感器环网，可以在一个通信周期内同步采集所有传感数据。这种设计不仅提高了数据采集的效率，还展现了BiSS的扩展性和前瞻性。

最后，BiSS协议支持即插即用功能。通过从寄存器读出编码器参数来配置数据通信，使得支持BiSS标准EDS和Profile的编码器和控制系统能够直接通信，无需修改任何程序。这一特性体现了BiSS的高度开放性和兼容性，为用户提供了极大的便利。

BiSS通信协议的基本内容详解

一、组网方式概览

BiSS通信协议提供了灵活多样的组网方式，以满足不同应用场景的需求。其中，point-to-point方式是最基本的组网形式，它实现了单个后续电子设备（如PLC）与传感器之间的点对点通信。在这种方式下，后续电子设备作为Master，通过差分信号向作为Slave的传感器提供时钟，传感器则同步地通过差分信号向Master发送传感数据。这种点对点通信模式不仅支持数据接收，还实现了双向数据通信。


图1point-to-point组网

除了point-to-point方式外，BiSS还支持Multi-slaveNetworking多从机组网方式。在这种模式下，Master可以在一个周期内完成与多个Slave之间的通信。所有设备按照菊花链首尾连接，每个Slave具备两个端口，分别用于接收前端信号和向后端发送信号。这种类似流水线的工作方式确保了每个Slave能够接收上一个Slave的数据并将其放入自己的发送队列队尾，同时优先发送自身的数据。整个通信过程由Master发出的时钟信号进行同步，确保数据传输的准确性和可靠性。


图2Multi-slaveNetworking组网

二、BiSS帧结构与数据通信细节

在point-to-point组网方式下，BiSS通信帧的结构如图3所示。MA信号由Master发出，用于驱动通信过程；而SL信号则是Slave发出的数据信号。完成一个BiSS通信帧意味着Master已经成功接收到一帧数据。


图3point-to-point组网的BiSS帧结构

对于Multi-slaveNetworking组网方式，每个Slave不仅需要发送自己的数据，还需要接收并转发前一个Slave发送过来的数据。这种通信模式如图4所示，展示了在多从机组网下BiSS通信帧的结构特点。


图4Multi-slaveNetworking组网的BiSS帧结构

BiSS通信过程涉及多个状态的切换，包括IDLE（空闲）、StartFrame（帧开始）、Tranmission（发送）和Timeout（超时）。在IDLE状态下，BiSS通信处于空闲状态，MA和SL信号均保持高电平。当进入StartFrame状态时，Master通过MA发送时钟信号，Slave在MA的第一个上升沿锁存传感器状态，并在第二个上升沿通过拉低SL信号来应答Master的通信请求。

理想情况下，SL拉低与MA第二上升沿之间的时延应非常小。然而，在实际系统中，由于长线延迟、信号整形、滤波以及信号传递通过多级门电路等因素的综合作用，SL信号相对于MA信号会存在一定的相移，导致SL拉低滞后于MA第二上升沿一段时间。这个时延被称为line-delay线路延迟。为了确保通信的可靠性，BiSS规定在每个通信帧发起时都要检测并修正line-delay，从而确保BiSS通信的波特率可以达到10Mbit/s。

在Tranmission状态下，SL信号从高电平拉低并保持一段时间，这段时间被称为ACK，表示Slave已经响应了MA信号并正在进行数据准备。ACK期间的长度与Slave数据是否准备就绪有关，对于特定的Slave，其ACK的长度基本上是固定的。在ACK期间，MA持续输出脉冲。随后，SL发送一个BIT的START位（通常为‘1’），表示Slave数据已经准备就绪，并开始发送数据。

在数据发送过程中，SL会依次发送一个BIT的CDS信号和一个单周期字段（SCD）。BiSS规定单周期字段的长度应大于4个BIT且小于64个BIT。对于特定应用，字段长度由Slave厂商规定。在数据发送期间，MA持续输出脉冲。

最后，当SCD发送完成后，SL会维持一段时间的低电平，这个时间段被称为Timeout。对于特定的应用，Timeout的长度由Slave厂商规定。在Timeout期间，MA发送CDM信号，该信号一直维持到SL被拉高。当SL被拉高后，本次通信完全结束。

BiSS的寄存器通信机制

在BiSS通信协议中，CDM和CDS信号扮演着关键角色，它们是实现Master与Slave之间寄存器通信的重要信号。当Master与Slave进行多个周期的数据交换后，Slave接收到的Master发送的CDM序列与Master接收到的Slave发送的CDS序列共同构成了BiSS寄存器通信帧，这一结构如图5所示。


图5多个BiSS帧构成的寄存器通信序列

通过图6和图7的时序描述，我们可以清晰地看到BiSS如何与编码器进行双向的数据交换。BiSS的寄存器通信机制中，不仅包含CRC校验确保数据传输的完整性，还具备读回校验功能，特别是在写时序中，这一机制进一步提升了通信的可靠性。


图6BiSS寄存器通信写时序


图6BiSS寄存器通信写时序

值得一提的是，BiSS的寄存器通信在带宽占用方面表现出色，相较于EnData2.2和NRZ等其他通信协议，它有着显著的优势。这主要得益于其巧妙的通信策略：在伺服控制器初始化时，编码器参数的读取操作较多；而在正常工作状态下，用户通常更关注错误报警信息。因此，BiSS将错误报警信息纳入实时性较高的数据通信中，而将耗时的寄存器通信通过CDS和CDM信号实现。这种根据数据实时性设计不同通信速率的方法，不仅大幅节约了通信带宽，还有效降低了通信时延。因此，使用BiSS编码器能显著提升控制系统的性能和响应速度。

图6展示了BiSS寄存器通信的写时序，而图7则呈现了读时序，通过这些图示，我们可以更加直观地理解BiSS寄存器通信的工作原理和时序安排。

BiSS通信协议的实现方法

一、硬件解码方法

对于选择硬件解码途径的用户，可以根据实际应用需求选择IC-HAUS提供的解码芯片，或利用其提供的IP软核进行解码操作。同时，市场上也有带有IP硬核的MCU可供选择。若用户希望利用IC-HAUS的IP软核实现数据通信与寄存器两种功能，建议采用FPGA解码方式。但需注意，FPGA的资源数应满足一定要求，如在将BiSS与MCU接口设置为SPI时，资源数需大于1300个LE。若仅关注数据通信功能，CPLD解码则是一个更为经济的选择，但同样要确保其资源数满足最低要求。自行设计解码方案时，需特别注意线延迟的处理，特别是在外引线较长或存在变化的应用中，需进行周期性的线延迟补偿。

二、软件解码方法

尽管用户可以选择通过IO模拟BiSS时序来实现解码，但这种方法在实际应用中并不推荐。相比之下，采用MCU的硬件外设进行解码是更为高效和可靠的选择。通过利用MCU的硬件外设，用户可以将BiSS通信速度设定在较高水平，同时显著减少外部逻辑电路的成本。对于许多应用来说，这种成本节约是相当可观的，并且有助于产品的系列化推广。

一个功能强大的通用串行解码模块，通过采用不同的解码程序，能够支持多种串行通信协议，包括全双工和半双工等模式。以BiSS为例，我们可以利用SPI的SCK来模拟MA信号，而MISO则可以用来模拟SL信号。然而，在使用这种方法时，我们需要注意以下三个关键问题：

首先，MCU硬件模块的FIFO深度是一个需要仔细考虑的因素。有些MCU的SPI寄存器长度是固定的，这意味着在完成一帧BiSS通信时可能需要多次通信和中断。这可能导致MA信号的波形不连续，从而可能引发通信错误。

其次，我们需要关注MCU硬件模块是否具备线延迟补偿的能力。具有线延迟补偿能力的外设能够更好地应对实际应用环境的变化，包括需求变化、环境变化以及线路老化等因素。这样的系统具有更高的可靠性和适应性，相较于没有线延迟补偿的系统更具优势。

最后，CRC解码能力也是一个不可忽视的方面。CRC校验对MCU的处理能力提出了要求，因此选择具备强大CRC解码能力的MCU对于确保通信的准确性和可靠性至关重要。

在使用MCU进行解码时，我们需要充分考察不同MCU外设的特点和处理能力，同时关注芯片厂家提供的技术支持力度以及是否有成熟的设计案例可供参考。这些因素将直接影响解码的效率和稳定性，因此需要我们进行认真评估和选择。

三、混合解码策略

对于那些既希望利用硬件解码的优势，又想控制成本的用户，混合解码策略是一个值得考虑的方案。具体来说，我们可以利用FPGA或CPLD的部分资源来完成数据通信的任务，而将关键的CDM和CDS信号的处理工作交给MCU进行。这种策略虽然在某种程度上属于过渡性质的，但在实际应用中却展现出了极高的实用性。

值得注意的是，在使用这种混合解码策略时，必须确保CDM信号在通信发起前已经准备好，以确保通信的顺利进行。然而，随着MCU和FPGA技术的不断进步，这种混合解码方案可能会逐渐被更为集成化的解决方案所替代，从而进一步降低系统之间的耦合性，提高整体性能。

四、BiSS通信帧实例展示

为了更直观地展示BiSS通信的过程，图8给出了一个BiSS通信帧的实例。通过这个实例，读者可以清晰地看到BiSS通信帧的结构和各个组成部分，从而更好地理解和应用BiSS通信协议。

图8：BiSS通信帧实例

BiSS通信协议与其他通信协议的对比

BiSS通信协议相较于其他通信协议展现出了显著的优势。根据下表1的对比数据，我们可以清晰地看到，在协议开放性、网络结构以及线延迟补偿等方面，BiSS通信协议均表现出领先的地位。尤其是在协议开放性（Availability）和网络结构（包括Connectivity、Master/Slave数量以及多从机同步Multi-Slave Synchronization）方面，BiSS协议展现出了明显的优势。而在高速性（Transmission Rate）和时延（Min Cycle Time）方面，BiSS协议则与Endat2.2相当，表现出同样出色的性能。

值得一提的是，BiSS通信协议的数据通信和寄存器通信占用的是不同的通信信道，这意味着两者在通信过程中互不干扰，从而确保了通信的稳定性和效率。这一特点使得BiSS通信协议在复杂的工业控制环境中更具优势。

表1：不同编码器协议的参数对比


综上所述，BiSS通信协议在多个方面均表现出明显的优势，特别是在协议开放性、网络结构和线延迟补偿等方面。这使得BiSS协议在工业自动化和编码器通信领域具有广泛的应用前景。

BiSS通信协议的发展历程与现状

BiSS通信协议经过十余载的深耕与积累，已经在欧洲得到了广泛的应用。同时，在中国，这一协议也受到了主要驱动器及编码器厂商的大力支持与认可。回溯历史，2002年BiSS协议首次在欧洲亮相，而在短短一年之后的2003年，BiSS解码芯片IC-MB3便成功问世，这无疑为BiSS协议的普及与应用奠定了坚实的基础。随后，在2009年，BiSS更是推出了单向通信版本，进一步丰富了其应用场景。

值得一提的是，BiSS总线帧格式始终保持稳定，这使得众多编码器厂商能够放心地推出基于BiSS的编码器产品，进一步推动了BiSS协议在市场上的普及。目前，全球已有超过278家厂商加入BiSS协议会员大家庭，共同推动这一协议的发展与进步。

欧洲在工业控制领域一直处于领先地位，从CiA402、IEC61131-3等协议的发展历程中，我们不难看出协议开放已经成为行业发展的主流趋势。BiSS协议在这方面已经走在了前列，它为用户带来了兼容性、低成本和稳定性等诸多优势。随着工业自动化的不断发展，相信在未来，BiSS协议在中国也将取得更加辉煌的成就。

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