Um guia aos protocolos de comunicação para codificadores absolutos

A automação continua a revolucionar o mundo moderno. Ela vai além da automação industrial e da Indústria 4.0 para incluir os domínios comerciais e de consumo. É aqui que a tecnologia IoT mais abrangente entra, automatizando tarefas que antes eram físicas, mas que agora são cada vez mais eletromecânicas.

Em termos muito gerais, os motores elétricos proporcionam uma forma de controle do mundo físico. Entretanto, muitos dos motores elétricos são relativamente básicos, o que significa que eles normalmente não fornecem qualquer resposta sobre sua posição. Isto é particularmente verdadeiro para motores de baixo custo usados para simplesmente mover uma carga. Pode ser surpreendente perceber, mas isto pode incluir aplicações relativamente sofisticadas, tais como assentos de automóveis que ajustam automaticamente sua posição com base na chave que está sendo usada para abrir e ligar o veículo.

A forma como estes motores básicos recebem os "inteligentes" necessários para saber onde está o assento e como ajustá-lo é através de codificadores. Embora alguns motores incluam codificadores, aqueles que não incluem podem fazer uso de codificadores externos projetados para serem instalados no exterior do eixo do motor. Há vários tipos de codificadores utilizados nestas aplicações, cada um com sua própria maneira de detectar o movimento. Isto pode incluir codificadores ópticos que contam os pulsos de luz conforme um objeto passa na frente de uma fonte de luz, ou contando os pulsos gerados por um interruptor de efeito Hall conforme um imã passa através dele.

Alguns codificadores, como a série AMT de codificadores absolutos da Same Sky, combinam a alta resolução oferecida por um codificador óptico com a robustez de um codificador magnético. Eles fazem isso através de codificação capacitiva, que utiliza duas placas: um transmissor e um receptor, separados por uma terceira placa presa ao rotor. A medida que a placa central gira, ela interfere com um sinal sendo conduzido capacitivamente entre o transmissor e o receptor. Como a interferência não depende do movimento, a posição absoluta da placa do rotor pode ser detectada mesmo quando ela não está em movimento.

Aplicações comuns requerem que o codificador detecte a velocidade do motor ou interprete a posição de qualquer coisa que o motor esteja movendo com base no número de rotações. Ele pode também precisar detectar o sentido do percurso. A forma em que a posição é informada também pode variar. Como mencionado acima, um codificador rotativo absoluto não depende do conhecimento da posição anterior, pois ele fornece um valor único para cada posição quantificável do rotor. Isto pode ser útil em aplicações que precisam saber a posição do motor após um ciclo de ligar e desligar, como quando alguém entra em um veículo.

Protocolos utilizados em codificadores rotativos

Qualquer que seja o método utilizado para capturar o movimento físico, a informação precisa depois ser passada a um controlador. Isto é obtido por outro nível de codificação, que pega os pulsos não tratados e os traduz em um protocolo de transmissão.

A conexão física influencia a escolha do protocolo e como ele funciona. Em geral, o protocolo será síncrono, ou seja, utilizará um sinal de clock, ou assíncrono (sem sinal de clock). Além disso, a conexão física pode ser com terminação simples ou, para proporcionar maior robustez, diferencial. Esta combinação resulta em quatro alternativas possíveis e os protocolos mais populares que as cobrem são a Interface Periférica Serial ou SPI (com terminação simples, síncrona), RS-485 também conhecida como TIA/EIA-485 (diferencial, assíncrona), e a Interface Serial Síncrona ou SSI (diferencial, síncrona).

Os protocolos são escolhidos por muitas razões. Eles proporcionam um nível de interoperabilidade, por um lado, mas também aumentam a robustez do canal de comunicação, particularmente em aplicações eletricamente ruidosas, como o controle de motores industriais. Mas isto levanta a questão de qual protocolo é melhor para uma determinada aplicação. Felizmente, a série AMT inclui modelos que fornecem todos os três protocolos mencionados acima. Portanto, é útil observá-los individualmente um pouco mais de perto para compreender plenamente seus atributos relativos, a fim de auxiliar no processo de seleção.

O barramento SPI

Como um barramento síncrono, uma das conexões em um barramento SPI é um sinal dedicado de clock (SCLK). O protocolo também suporta operação “full-duplex” graças às conexões dedicadas para o dispositivo Mestre e o dispositivo Escravo. Como todas as trocas de dados são coordenadas pelo sinal do clock, Mestre e Escravos podem se comunicar sem ter que primeiro negociar parâmetros tais como taxa de dados ou tamanho da mensagem. Cada escravo terá um pino de Seleção de Chip (figura 1), que permite ao Mestre controlar com qual dispositivo ele se comunica a qualquer momento.

Como exemplo, a série AMT22 apresenta um codificador SPI que pode ser configurado para operar com um sinal de clock de 2 MHz. Isto significa que quando um Mestre o solicita, o codificador pode responder com sua posição atual em pouco menos de 1500 ns. A configuração da fiação para o protocolo SPI também é simples com conexões dedicadas para Master Out, Slave In (MOSI) e Master In, Slave Out (MISO) em cada dispositivo. Cada uma dessas conexões é interligada, como mostrado na Figura 1, enquanto o Mestre tem conexões dedicadas para os pinos de seleção do chip individual.

Figura 1: o protocolo SPI usa conexões comuns para clock e dados, com conexões dedicadas para seleção de chip (fonte da imagem: Same Sky)

Como um barramento de terminação simples, o protocolo SPI é bem adequado para conexões em distâncias relativamente curtas, de cerca de 1 metro ou menos, se utilizar o clock de alta velocidade. Esta distância pode ser aumentada se a velocidade do clock for reduzida, para preservar a integridade do sinal. Isto torna o protocolo SPI extremamente versátil e adequado em diversas aplicações.

O barramento RS-485

Se a aplicação envolver distâncias superiores a 1 metro, ou se o ambiente apresentar uma quantidade significativa de ruído elétrico, um barramento diferencial pode ser uma opção melhor. Isto porque um sinal diferencial é intrinsecamente mais robusto do que um sinal com terminação simples de um fio. Outra técnica que pode aumentar a robustez é remover a necessidade de um sinal limpo de clock no barramento. É aqui que o barramento RS-485 e o protocolo associado podem ser uma escolha apropriada.

A interface RS-485 usa cabeamento de par trançado e, como é diferencial, precisa de terminações adequadas em cada extremidade do cabo. Mas como é assíncrona, não há sinal dedicado de clock no barramento, por isso só precisa de dois condutores (figura 2), e pode atingir taxas de dados de 10 Mbit/s ou até mesmo superiores. Como um barramento, ele suporta várias conexões, mas cada uma delas deve estar com terminal e impedância casada ao cabo. Para manter o desempenho, cada dispositivo deve ser conectado ao barramento usando o menor comprimento possível do cabo.

A série AMT21 utiliza o barramento/protocolo RS-485, exigindo apenas duas conexões para o par trançado e mais duas para alimentação. Como é assíncrona, todos os dispositivos precisam estar cientes da forma como o protocolo é configurado e, por padrão, a série AMT21 usa 8N1, o que significa 8 bits de dados, sem paridade e 1 bit de parada. Nesta configuração, os seis bits mais significativos são usados como endereço, o que significa que uma conexão pode suportar até 64 dispositivos endereçáveis individualmente. Os dois bits menos significativos são usados para a instrução. Quando instruída para fornecer dados de posição, a série AMT21 pode responder em três microssegundos. Há também instruções para reiniciar o codificador e definir a posição zero.

Figura 2: o protocolo RS-485 suporta vários dispositivos em um único par trançado (fonte da imagem: Same Sky)

O barramento SSI

Em sua configuração padrão, o barramento SSI pode ser visto como uma extensão do barramento RS-485 através da adição de um par diferencial, que carrega um sinal de clock ao lado de um par diferencial para dados. Isto significa que a interface SSI padrão usa dois pares diferenciais, ou quatro conexões, para clock e dados. A Same Sky desenvolveu uma variação neste projeto, removendo o aspecto diferencial, mas adicionando um pino de seleção de chip. Isto reduz a quantidade de pinos de quatro para três por conexão, ao mesmo tempo que agrega a conveniência de uma seleção dedicada de chip (figura 3).

Esta variante é compatível com os controladores SSI que suportam a seleção de chips e fornece níveis de desempenho que são similares aos da SPI. A série AMT23 da Same Sky usa esta variante do SSI e pode ser configurada como mostrado na Figura 3.

Figura 3: esta variante do SSI requer menos fios, mas suporta a seleção do chip (fonte da imagem: Same Sky)

Conclusão

O uso da automação está só aumentando. Os codificadores absolutos, projetados para serem instalados em motores elétricos, proporcionam maior controle em aplicações de automação. A tecnologia de codificação capacitiva desenvolvida pela Same Sky e disponível na série AMT faz uso de três protocolos de comunicação, cada qual com suas próprias características e benefícios. Isto dá aos engenheiros maior liberdade de projeto ao selecionar a melhor tecnologia para sua aplicação.