واجهة تسلسلية متزامنة

تُعدّ واجهة الاتصال التسلسلي المتزامن (SSI) معيارًا شائع الاستخدام في التطبيقات الصناعية، حيث تربط بين جهاز رئيسي (مثل وحدة تحكم) وجهاز تابع (مثل مستشعر). تعتمد SSI على معايير RS-422 ^{[ 1 ]} ، وتتميز بكفاءة عالية في نقل البيانات، بالإضافة إلى إمكانية تطبيقها على منصات أجهزة متنوعة، مما يجعلها شائعة الاستخدام بين مصنعي المستشعرات. طُوّرت SSI في الأصل من قِبل شركة Max Stegmann GmbH عام 1984 لنقل بيانات الموضع للمشفرات المطلقة ، ولذلك يُطلق بعض مصنعي معدات المؤازرة/المحركات على منفذ SSI اسم "واجهة Stegmann". كانت هذه الواجهة محمية سابقًا ببراءة الاختراع الألمانية DE 34 45 617 التي انتهت صلاحيتها عام 1990. وهي مناسبة جدًا للتطبيقات التي تتطلب موثوقية عالية ودقة في القياسات في بيئات صناعية متنوعة.

يختلف ناقل SSI عن ناقل واجهة الأجهزة الطرفية التسلسلية (SPI): فناقل SSI تفاضلي ، أحادي الاتجاه ، غير متعدد الإرسال، ويعتمد على مهلة زمنية لتحديد إطار البيانات. أما ناقل SPI فهو أحادي الطرف ، ثنائي الاتجاه ، ويستخدم إشارة اختيار الشريحة لتحديد إطار البيانات. مع ذلك، يمكن للأجهزة الطرفية SPI على المتحكمات الدقيقة تنفيذ SSI باستخدام دوائر متكاملة خارجية لتشغيل الإشارات التفاضلية وتوقيت يتم التحكم فيه برمجياً.

SSI هي قناة اتصال تسلسلي متزامنة من نقطة إلى نقطة لنقل البيانات الرقمية. يتم نقل البيانات بشكل متزامن عن طريق مزامنة الإرسال بين طرفي الاستقبال والإرسال باستخدام إشارة ساعة مشتركة . ولعدم وجود بتات البدء والإيقاف، يتيح ذلك استخدامًا أفضل لعرض نطاق نقل البيانات لنقل المزيد من بتات الرسالة، مما يجعل عملية الإرسال بأكملها أبسط وأسهل. تحتاج إشارة الساعة إلى عرض نطاق خاص بها، ويجب تضمينها عند تحديد إجمالي عرض النطاق المطلوب للاتصال بين الجهازين.

بشكل عام، وكما ذُكر سابقًا، فهو اتصال مباشر بين وحدة تحكم رئيسية (مثل وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة، أو وحدة تحكم دقيقة) ووحدة تحكم تابعة (مثل مشفرات دوارة ). تتحكم الوحدة الرئيسية في تسلسل الساعة، بينما تُرسل الوحدة التابعة البيانات/القيمة الحالية عبر مسجل إزاحة . عند استدعاء الوحدة الرئيسية للبيانات، يتم إخراجها من مسجل الإزاحة. وتتم مزامنة الوحدتين الرئيسية والتابعة بواسطة الساعة المشتركة لوحدة التحكم.

تُرسل إشارات الساعة والبيانات وفقًا لمعايير RS-422. RS-422، المعروف أيضًا باسم ANSI/TIA/EIA-422-B، هو معيار تقني يحدد الخصائص الكهربائية لدائرة واجهة الجهد الرقمي المتوازن. تُرسل البيانات باستخدام إشارات متوازنة أو تفاضلية، أي أن خطوط الساعة والبيانات عبارة عن كابلات زوجية مجدولة.

يمكن للمدخلات استخدام قارن ضوئي لتحسين التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، مما يجعلها قناة اتصال موثوقة عبر مسافات إرسال طويلة وبيئات خارجية قاسية.

تتميز الواجهة بتصميم بسيط. تتكون من زوجين من الأسلاك، أحدهما لنقل إشارات الساعة من الجهاز الرئيسي والآخر لنقل البيانات من الجهاز التابع. يتم تشغيل تسلسلات الساعة بواسطة الجهاز الرئيسي عند الحاجة. يمكن استخدام ترددات ساعة مختلفة، تتراوح من 100  كيلوهرتز إلى 2  ميجاهرتز، ويعتمد عدد نبضات الساعة على عدد بتات البيانات المراد نقلها.

تستخدم واجهة SSI التابعة الأبسط مُذبذبًا أحادي الاستقرار قابلًا لإعادة التشغيل (monoflop) لتثبيت القيمة الحالية للمستشعر. تُخزَّن القيم المُثبَّتة الحالية للجهاز التابع في سجلات الإزاحة. تُخرَج هذه القيم بالتسلسل عند بدء تشغيلها بواسطة وحدة التحكم.

صُمم تنسيق البيانات بطريقة تضمن نقل البيانات بشكل سليم. يعتمد بروتوكول نقل البيانات على ثلاثة أجزاء متتالية (الجزء الأول "1" -> بتات البيانات -> الجزء الأخير "0"). تكمن الأهمية الرئيسية لهذا النوع من التنسيق في ضمان عمل الواجهة بشكل صحيح، وبالتالي نقل البيانات بشكل آمن وخالٍ من أي أخطاء في الأجهزة أو البرامج.

في وضع الخمول، تكون إشارة الساعة عالية، وكذلك إشارة خرج المستشعر، مما يسمح بالكشف عن أي قطع في توصيلات الأسلاك. وهذا يساعد في مراقبة حالة عمل الواجهة بشكل سليم.

بعد مرور n نبضة ساعة (الحافة الصاعدة)، تُنقل البيانات بالكامل. مع نبضة الساعة التالية (الحافة الصاعدة n+1)، ينخفض ​​خرج المستشعر إلى مستوى منخفض، ما يُمكن استخدامه للكشف عن وجود قصر في الكابل. إذا ظل الخرج مرتفعًا حتى بعد مرور n+1 حافة صاعدة، فهذا يعني وجود قصر في الواجهة.

يمكن تفعيل قراءة البيانات من عدة أجهزة تابعة (حتى ثلاثة) في وقت واحد عن طريق توصيلها بساعة مشتركة. مع ذلك، لتجنب حلقات التأريض وعزل الجهاز التابع كهربائيًا، يلزم عزله جلفانيًا كاملًا باستخدام موصلات ضوئية.

ستكون الكلمات المفتاحية التالية مفيدة في فهم إجراءات نقل بيانات SSI.

• يمثل 'tm' مهلة النقل (زمن أحادي القلاب). وهو الحد الأدنى من الوقت الذي يحتاجه الجهاز التابع لإدراك اكتمال نقل البيانات. بعد انقضاء tm، يصبح خط البيانات في وضع الخمول، ويبدأ الجهاز التابع بتحديث بياناته في مسجل الإزاحة.
• يمثل الرمز 'tp' وقت التوقف المؤقت. وهو التأخير الزمني بين سلسلتي توقيت متتاليتين من الجهاز الرئيسي.
• يمثل 'tw' وقت التكرار. وهو الحد الأدنى للوقت المنقضي بين عمليات إعادة إرسال نفس البيانات، وهو دائمًا أقل من tm.
• يمثل الحرف "T" عرض كل دورة ساعة. وهو الوقت المستغرق بين حافتين هابطتين أو حافتين صاعدتين في تسلسل ساعة مستمر.
• MSB: البت الأكثر أهمية
• LSB: أقل بت أهمية

بما أن SSI يعتمد على معايير RS-422، فمن الضروري اختيار الكابلات المناسبة والالتزام بحدود طول الكابلات وترددات الساعة.

يوضح الشكل التالي العلاقة بين طول الكابل وتردد الساعة. ^{[ 2 ]} ويمكن استخدام هذه العلاقة كدليل إرشادي. يستند هذا المنحنى إلى بيانات تجريبية باستخدام كابل هاتف قياسي من نوع 24 AWG ، موصل نحاسي، غير محمي، ذو أزواج ملتوية ، بسعة تحويلية تبلغ 52.5 بيكوفاراد/متر (16 بيكوفاراد/قدم)، موصول بحمل مقاومته 100 أوم. ويستند قيد طول الكابل الموضح في المنحنى إلى متطلبات جودة إشارة الحمل المفترضة التالية:

1. أوقات صعود وهبوط الإشارة تساوي أو تقل عن نصف وحدة زمنية عند معدل تبديل البيانات المطبق.
2. أقصى فقد في الجهد بين المولد والحمل يبلغ 66%

عند استخدام معدلات نقل بيانات عالية، يقتصر التطبيق على كابلات أقصر. بينما يُمكن استخدام كابلات أطول عند استخدام معدلات نقل بيانات منخفضة. تحدّ مقاومة التيار المستمر للكابل من طوله في تطبيقات معدلات نقل البيانات المنخفضة، وذلك بزيادة هامش التشويش مع ازدياد انخفاض الجهد فيه. أما تأثيرات التيار المتردد للكابل، فتحدّ من جودة الإشارة، وبالتالي تحدّ من طول الكابل إلى مسافات قصيرة عند استخدام معدلات نقل بيانات عالية. تتراوح أمثلة تركيبات معدل نقل البيانات وطول الكابل من 90  كيلوبت/ثانية عند 1.2  كيلومتر إلى 10  ميجابت/ثانية عند 5 أمتار لبروتوكول RS-422.

يمكن استخدام كابلات ذات خصائص مختلفة عن كابل الزوج المجدول 24 AWG، بسعة 52.5 بيكوفاراد/متر (16 بيكوفاراد/قدم)، ضمن الحدود المذكورة أعلاه. أولًا، حدد قيم مقاومة الحلقة وسعة المكثف لكابل 24 AWG النموذجي، بناءً على طول الكابل المرتبط بمعدل نقل البيانات المطلوب من الشكل. ثم حوّل هذه القيم إلى أطوال مكافئة للكابل المستخدم فعليًا. على سبيل المثال، يمكن استخدام كابل 19 AWG لمسافات أطول، بينما يتطلب كابل 28 AWG مسافات أقصر.

يعتمد الحد الأقصى المسموح به لطول الكابل الواصل بين الجهاز الرئيسي والجهاز التابع على معدل نقل البيانات، ويتأثر بتشوه الإشارة المسموح به، ومقدار الضوضاء المقترنة طوليًا، وفروق جهد التأريض بين دائرة الجهاز الرئيسي ودائرة الجهاز التابع. لذا، يُنصح المستخدمون بتقليل طول الكابل إلى الحد الأدنى. يجب أن يكون نوع الكابل المستخدم وطوله قادرين على الحفاظ على جودة الإشارة المطلوبة للتطبيق المحدد. علاوة على ذلك، يجب أن يكون توازن الكابل كافيًا للحفاظ على مستويات مقبولة من التشويش المتبادل، سواءً المُولَّد أو المُستقبَل.

أضافت بعض الشركات المصنعة والمنظمات ^{[ 3 ]} معلومات إضافية إلى بروتوكول SSI الأساسي. وكان الهدف الرئيسي من ذلك ضمان سلامة نقل البيانات. ولضمان النقل الآمن، وللإشارة إلى نهاية عملية النقل، يمكن إضافة بتات CRC أو بتات التكافؤ. بعبارة أخرى، تُستخدم هذه البتات للتحقق من صحة تفسير البايت واستلامه. في المواصفات الأصلية، استُخدمت عمليات نقل متعددة لضمان سلامة البيانات. في هذه الحالة، يتم بدء عمليتي نقل متتاليتين لنفس البيانات ومقارنتهما للكشف عن أي خطأ في النقل. إلا أن هذا يقلل من كفاءة البروتوكول بنسبة 50% مقارنةً بنقل البيانات المتوازي.

• أدى نقل البيانات التسلسلي إلى تقليل الأسلاك. هذا، بالإضافة إلى بساطة تصميم SSI نظرًا لاستخدام عدد قليل من المكونات، قد خفض التكلفة بشكل كبير ووفر نطاقًا تردديًا أكبر لنقل بتات الرسائل.
• مناعة عالية ضد التداخل الكهرومغناطيسي بفضل معايير RS-422 وموثوقية أعلى لنقل البيانات بفضل الإشارات التفاضلية.
• العزل الجلفاني الأمثل
• يتميز البروتوكول بمرونة كاملة فيما يتعلق بعدد البتات المنقولة، فهو غير مقيد بعدد معين من الكلمات، ويتيح اختيارًا عشوائيًا لحجم الرسالة.
• تستخدم الأجهزة التابعة ساعة الجهاز الرئيسي، وبالتالي فهي لا تحتاج إلى مذبذبات دقيقة.
• تتيح تقنية SSI توصيل ما يصل إلى ثلاثة أجهزة تابعة بساعة مشتركة. وبالتالي، من الممكن الحصول على قيم من عدة مستشعرات.

تُعدّ القيود المفروضة على هذه الواجهة ضئيلةً بالنسبة لتطبيقات الأتمتة الصناعية. إذ لا تتجاوز قدرة واجهة SSI على الاتصال مسافة 1.2  كيلومتر، وتدعم جهازًا رئيسيًا  واحدًا فقط. مع ذلك، تُعتبر مسافة 1.2 كيلومتر مناسبةً للاتصال وفقًا لمعايير صناعة الأتمتة. بالمقارنة مع أنظمة الاتصال المتقدمة القائمة على ناقلات المجال أو الإيثرنت، تقتصر واجهة SSI على بنية رئيسية-تابعة، واتصال بسيط من نقطة إلى نقطة بين الجهاز الرئيسي والتابع . ومن عيوبها الأخرى عدم وجود آلية لتأكيد وجود الجهاز التابع ، أي عدم وجود آلية للكشف عنه قبل بدء الاتصال.

• واجهة BiSS

• POSITAL، توصيل جهاز SSI بوحدة التحكم الدقيقة،
• شركة ناشونال إنسترومنتس، "ما هي واجهة التزامن التسلسلي (SSI)؟"
• شركة تكساس إنسترومنتس، "SSI وSPI كمصطلحات قابلة للتبادل"
• SSI (باللغة الألمانية)، "Synchron-Serelle Schnittstelle"