BiSS Line mit Forward Error Correction
Einkabel mit Fehlerkorrektur
Die BiSS User Community beschäftigt sich seit 2014 mit einer offenen Einkabeltechnologie. Die Umsetzung soll einfach und modular auf Basis von BiSS erfolgen, unter 100% kompatibler Protokollumsetzung von BiSS C auf BiSS Line. Alle Inhalte des Protokolls bleiben bei BiSS Line als Übertragungstechnik unverändert und vollständig erhalten. Bereits verfügbare Kabel- und Verbindungstechnik - inklusive Physical Layer für eine Basisband-Übertragung - als vollständige, bewährte Einkabeli nfrastruktur bleibt weiterhin nutzbar.
Bild: ©Zapp2Photo/Shutterstock.comFür eine Produktvielfalt in unterschiedlichen Märkten müssen skalierbare Lösungen in verschiedenen Sensortechnologien, z.B. optisch, magnetisch, induktiv, kapazitiv, integrierbar bleiben. BiSS Line ist nicht ausschließlich für Einkabel-Technologie interessant, auch kleine Coboter und Roboter können von Vorteilen wie z.B. geringere Verkabelungsquerschnitte und Aderzahl, profitieren.
Bild: IC-Haus GmbHProtokolldefinition
BiSS Line nutzt eine asynchrone Halbduplex-Basisband-Übertragung mit RS485 als Physical Layer. Die Übertragung ist sowohl mit einer 2-Draht- als auch mit einer 4-Draht-Lösung ohne Unterschied nutzbar. Bei der 2-Draht-Lösung wird die Datenübertragung der Versorgungsspannung des Sensors aufmoduliert. Der zulässige Spannungsbereich ist kompatibel zu bestehenden Einkabel-Systemen definiert (7 bis 12V) und wurde um die Standard-Industriespannung (24V) als zulässige Versorgung erweitert. Das Kommunikationsprinzip ist Master-Slave basierend, d.h. auf Anfrage des Masters werden über den Protokollumsetzer ein oder mehrere Sensoren abgefragt und die Antworten dem Master übergeben.
- • Aktivität in ungenutzten Phasen: Der Kommunikationskanal ist mit einem IDLE-Symbol ständig in Bewegung und verhindert Gleichspannungsanteile, die auf der Empfängerseite zu Verzögerungen beim Empfang führen. Als IDLE-Symbol wurde die 1010101010 Bitsequenz gewählt. Diese ist monoton, enthält die höchste Übertragungsfrequenz und ist gleichanteilsfrei. Das IDLE- Symbol kann nach maximal 2Bit abgebrochen werden, um umgehend (<160ns) mit einer Start-Sequenz beginnen zu können. Die Empfängereinheit synchronisiert sich auf die Senderseite und kann die zu empfangenden Bits optimal erfassen. Somit wird eine zusätzliche Störsicherheit beim Empfang geschaffen. BiSS Line bietet eine gleichspannungsfreie Nutzdatenübertragung mit Taktrückgewinnung und -synchronisation auf Basis der 8B10B-Codierung. Bei der Definition der Übertragungssymbole wurde auf eine maximale Hamming-Distanz geachtet, damit selbst teilweise beschädigte Symbole von 10Bit korrekt identifiziert und interpretiert werden können.
- • Hochgenaue Erfassung: Besonders wichtig bei hochauflösenden und hochdynamischen Systemen ist der Positionserfassungszeitpunkt. Schon geringe Abweichungen beeinträchtigen die Genauigkeit der erfassten Position. Bei BiSS Line wird der Positionserfassungszeitpunkt nicht analog oder als Flanke übertragen, sondern digital in die Positionsanfrage codiert und somit ebenfalls robust und mit minimalem Jitter umgesetzt.
- • Fehlerkorrekturmöglichkeit: Eine protokollseitige Fehlerkorrekturmöglichkeit korrigiert Fehler nach der Übertragung auf der Empfängerseite. Die Forward Error Correction (FEC) bietet diese Rekonstruktionsmöglichkeit nach dem Empfang gestörter Bitsequenzen. Eine Reed Solomon-Codierung für längere Datenpakete und eine BCH-Codierung für kurze Informationsmengen ermöglichen robuste, fehlerkorrigierbare Übertragungen der Daten. Der numerische Aufwand für die Erzeugung und Auswertung einer FEC ist mit der aktuellen Infrastruktur leicht umsetzbar. Die Übertragung der Reed Solomon-Daten ist mit 6Bytes Zusatzdaten pro Frame akzeptabel.
- • Safety und Aktorik: Das BiSS-Protokoll bietet mit BiSS Safety bereits die Umsetzungsmöglichkeit für sicherheitskritische Systeme. Das sichere Protokollprofil ist als Black Channel-Übertragung definiert. Durch den modularen Ansatz und den Erhalt aller Protokollinhalte bei gleicher Sensorbasis lassen sich Sicherheitslösungen ebenfalls mit BiSS Line umsetzen. Hersteller können vorhandene BiSS Safety-Systeme einfach auf BiSS Line überführen; zugehörige Sensoren und Drives sind mit der Erweiterung auf BiSS Line leichter zertifizierbar. Neben Sensoren lassen sich auch Aktoren mit BiSS und BiSS Line einbinden. Auch hier wird die gleiche Bandbreite und Zyklusrate, FEC und bidirektionale Datenübertragung ermöglicht.
- • Condition Monitoring: Ein zusätzlicher Trend ist Condition Monitoring, also eine Erfassung und Auswertung von zusätzlichen Daten im System. BiSS Line bietet die Möglichkeit, mehrere Geräte an einer Schnittstelle zu betreiben. Condition Monitoring kann im System auch nachträglich implementiert werden und benötigt keine HUB-Funktion bei der Erst-Installation.
- • BiSS Line-Umsetzung: Eine BiSS Line-Protokollumsetzung erfolgt meist auf Basis vorhandener rekonfigurierbarer Hardware (FPGA) mit RS485-Schnittstelle. Das BiSS Line Master-IP wird Anwendern zum Beispiel als VHDL-IP zur Verfügung gestellt. Mit dieser Firmware-Erweiterung werden vorhandene und neue Antriebssysteme ohne Hardware-Änderung BiSS Line fähig. Moderne, leistungsfähige Prozessoren, die für eine direkte Protokollverarbeitung in Software geeignet sind, können ebenfalls verwendet werden.
Fazit
Höhere Reglerraten, häufigere Kommutierungen, neue Antriebstreiberstufen mit steileren Transienten, hohe Leistungsdichten und erweiterte Dynamik verursachen ein höheres Störaufkommen. Mit den Merkmalen FEC, IDLE und LATCH ist BiSS Line für kommende Anwendungen gerüstet. Das Interface bietet einen robusten, breiten und offenen Standard, der bei kompatibler Hardware entscheidende Merkmale für heutige und zukünftige Systeme umsetzt. Zudem sind auch Anwendungen über den Motorfeedback-Bereich hinaus möglich.
Die BiSS User Community beschäftigt sich seit 2014 mit einer offenen Einkabeltechnologie. Die Umsetzung soll einfach und modular auf Basis von BiSS erfolgen, unter 100% kompatibler Protokollumsetzung von BiSS C auf BiSS Line. Alle Inhalte des Protokolls bleiben bei BiSS Line als Übertragungstechnik unverändert und vollständig erhalten. Bereits verfügbare Kabel- und Verbindungstechnik - inklusive Physical Layer für eine Basisband-Übertragung - als vollständige, bewährte Einkabeli nfrastruktur bleibt weiterhin nutzbar.
Bild: ©Zapp2Photo/Shutterstock.comFür eine Produktvielfalt in unterschiedlichen Märkten müssen skalierbare Lösungen in verschiedenen Sensortechnologien, z.B. optisch, magnetisch, induktiv, kapazitiv, integrierbar bleiben. BiSS Line ist nicht ausschließlich für Einkabel-Technologie interessant, auch kleine Coboter und Roboter können von Vorteilen wie z.B. geringere Verkabelungsquerschnitte und Aderzahl, profitieren.
Bild: IC-Haus GmbHProtokolldefinition
BiSS Line nutzt eine asynchrone Halbduplex-Basisband-Übertragung mit RS485 als Physical Layer. Die Übertragung ist sowohl mit einer 2-Draht- als auch mit einer 4-Draht-Lösung ohne Unterschied nutzbar. Bei der 2-Draht-Lösung wird die Datenübertragung der Versorgungsspannung des Sensors aufmoduliert. Der zulässige Spannungsbereich ist kompatibel zu bestehenden Einkabel-Systemen definiert (7 bis 12V) und wurde um die Standard-Industriespannung (24V) als zulässige Versorgung erweitert. Das Kommunikationsprinzip ist Master-Slave basierend, d.h. auf Anfrage des Masters werden über den Protokollumsetzer ein oder mehrere Sensoren abgefragt und die Antworten dem Master übergeben.
- • Aktivität in ungenutzten Phasen: Der Kommunikationskanal ist mit einem IDLE-Symbol ständig in Bewegung und verhindert Gleichspannungsanteile, die auf der Empfängerseite zu Verzögerungen beim Empfang führen. Als IDLE-Symbol wurde die 1010101010 Bitsequenz gewählt. Diese ist monoton, enthält die höchste Übertragungsfrequenz und ist gleichanteilsfrei. Das IDLE- Symbol kann nach maximal 2Bit abgebrochen werden, um umgehend (<160ns) mit einer Start-Sequenz beginnen zu können. Die Empfängereinheit synchronisiert sich auf die Senderseite und kann die zu empfangenden Bits optimal erfassen. Somit wird eine zusätzliche Störsicherheit beim Empfang geschaffen. BiSS Line bietet eine gleichspannungsfreie Nutzdatenübertragung mit Taktrückgewinnung und -synchronisation auf Basis der 8B10B-Codierung. Bei der Definition der Übertragungssymbole wurde auf eine maximale Hamming-Distanz geachtet, damit selbst teilweise beschädigte Symbole von 10Bit korrekt identifiziert und interpretiert werden können.
- • Hochgenaue Erfassung: Besonders wichtig bei hochauflösenden und hochdynamischen Systemen ist der Positionserfassungszeitpunkt. Schon geringe Abweichungen beeinträchtigen die Genauigkeit der erfassten Position. Bei BiSS Line wird der Positionserfassungszeitpunkt nicht analog oder als Flanke übertragen, sondern digital in die Positionsanfrage codiert und somit ebenfalls robust und mit minimalem Jitter umgesetzt.
- • Fehlerkorrekturmöglichkeit: Eine protokollseitige Fehlerkorrekturmöglichkeit korrigiert Fehler nach der Übertragung auf der Empfängerseite. Die Forward Error Correction (FEC) bietet diese Rekonstruktionsmöglichkeit nach dem Empfang gestörter Bitsequenzen. Eine Reed Solomon-Codierung für längere Datenpakete und eine BCH-Codierung für kurze Informationsmengen ermöglichen robuste, fehlerkorrigierbare Übertragungen der Daten. Der numerische Aufwand für die Erzeugung und Auswertung einer FEC ist mit der aktuellen Infrastruktur leicht umsetzbar. Die Übertragung der Reed Solomon-Daten ist mit 6Bytes Zusatzdaten pro Frame akzeptabel.
- • Safety und Aktorik: Das BiSS-Protokoll bietet mit BiSS Safety bereits die Umsetzungsmöglichkeit für sicherheitskritische Systeme. Das sichere Protokollprofil ist als Black Channel-Übertragung definiert. Durch den modularen Ansatz und den Erhalt aller Protokollinhalte bei gleicher Sensorbasis lassen sich Sicherheitslösungen ebenfalls mit BiSS Line umsetzen. Hersteller können vorhandene BiSS Safety-Systeme einfach auf BiSS Line überführen; zugehörige Sensoren und Drives sind mit der Erweiterung auf BiSS Line leichter zertifizierbar. Neben Sensoren lassen sich auch Aktoren mit BiSS und BiSS Line einbinden. Auch hier wird die gleiche Bandbreite und Zyklusrate, FEC und bidirektionale Datenübertragung ermöglicht.
- • Condition Monitoring: Ein zusätzlicher Trend ist Condition Monitoring, also eine Erfassung und Auswertung von zusätzlichen Daten im System. BiSS Line bietet die Möglichkeit, mehrere Geräte an einer Schnittstelle zu betreiben. Condition Monitoring kann im System auch nachträglich implementiert werden und benötigt keine HUB-Funktion bei der Erst-Installation.
- • BiSS Line-Umsetzung: Eine BiSS Line-Protokollumsetzung erfolgt meist auf Basis vorhandener rekonfigurierbarer Hardware (FPGA) mit RS485-Schnittstelle. Das BiSS Line Master-IP wird Anwendern zum Beispiel als VHDL-IP zur Verfügung gestellt. Mit dieser Firmware-Erweiterung werden vorhandene und neue Antriebssysteme ohne Hardware-Änderung BiSS Line fähig. Moderne, leistungsfähige Prozessoren, die für eine direkte Protokollverarbeitung in Software geeignet sind, können ebenfalls verwendet werden.
Fazit
Höhere Reglerraten, häufigere Kommutierungen, neue Antriebstreiberstufen mit steileren Transienten, hohe Leistungsdichten und erweiterte Dynamik verursachen ein höheres Störaufkommen. Mit den Merkmalen FEC, IDLE und LATCH ist BiSS Line für kommende Anwendungen gerüstet. Das Interface bietet einen robusten, breiten und offenen Standard, der bei kompatibler Hardware entscheidende Merkmale für heutige und zukünftige Systeme umsetzt. Zudem sind auch Anwendungen über den Motorfeedback-Bereich hinaus möglich.
iC-Haus GmbH
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 1+2 2018 - 08.02.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
