磁致伸缩位移传感器 SSI 帧结构：时钟、位宽与格雷码

SSI 一共就四根信号线：时钟一对、数据一对。很多人第一次接上就能读到数，于是以为这东西没内容——直到某天换了个行程、或者把线加长了二十米，读数开始乱，才发现"能读到数"和"读对了"是两件事。

SSI 的配置项只有三个：数据位数、编码格式、时钟频率。前几篇讲的是这三项怎么配、配错了怎么查；这篇往下走一层，讲清楚一个字：主站发出去的那串时钟，到底从传感器里读走了哪几位，每一位代表什么。搞明白这一层，位数为什么这么配、格雷码为什么不能当二进制解，就不是背参数了。

一帧四步，每一步都有一条硬规矩

SSI 是点对点的单向接口：时钟由主站给，数据由传感器回。没有地址、没有仲裁、没有协议栈，正因为它简单，所以每一步的边界条件都很死。

• 空闲。时钟线保持高电平。传感器内部一直在更新位置值，但此时数据线的内容不作数。
• 锁存。主站发出第一个时钟下降沿，传感器把当前位置值扣进移位寄存器，位置值从这一刻起被冻结。
• 移出。主站继续发时钟，传感器在每个时钟周期移出一位，最高位先出。时钟个数就是主站"买"的位数，多发几位就多读几位。
• 复位。时钟串停止后必须留出单稳态时间，接口才回到空闲、才认下一次读取。这个时间在 192 上是最小 48 μs。

第二条规矩最容易被忽略，也最有工程意义：读数对应的是"发起读取那一刻"的位置，不是时钟串结束那一刻。时钟发得越长，这个差别越大。在注塑机射胶、压机下死点这种高速段上，几十微秒就是零点几毫米——所以不是"位数配得越多越好"，读得越长，读到的是越早的那个位置。

位宽只有两档：25 位，或者 24 位

SSI 是同步串行，主站发多少时钟，传感器就移多少位，听起来像可以随便配。实际产品只做两档：192 出厂按订单定成 25 位或 24 位，型号编码里对应的那一位是 1 就是 25 位、是 2 就是 24 位。主站必须按订的那一档配，多一位少一位都读错。

两档能装多少格，直接算得出来：

位宽	可表示的格数	适用场合
24 位	16,777,216（2²⁴）	常用量程配常用分辨率，绝大多数场合够用
25 位	33,554,432（2²⁵）	量程与分辨率的组合超过 16,777,216 格时

判断该订哪一档，看"量程 ÷ 分辨率"这个格数落在哪：

量程	分辨率	格数	24 位够不够
300 mm	5 μm	60,000	够
1000 mm	10 μm	100,000	够
2000 mm	1 μm	2,000,000	够
7600 mm	1 μm	7,600,000	够

表里能看出来：连 7600 mm 配 1 μm 也只占到 16,777,216 格里的一半不到，24 位仍有余量。所以常规订货选 24 位就够，25 位是给更长行程、更细分辨率的组合留的。这一项不该自己猜——把量程和分辨率报清楚，由厂家按这个算。

位数配错的表现，和"位宽不够装"是两回事：

• 主站按 24 位配、传感器是 25 位。少发一个时钟，最低位被丢掉，读数值只有实际的一半。这个"一半"很稳定，容易被误判成量程或分辨率订错。
• 主站按 25 位配、传感器是 24 位。多发一个时钟，多读到的是填充位，位置值整体变成实际的两倍（填充为 0 时），或者尾数出现无规律跳动。

这也是为什么调试顺序永远是"先位数、再编码格式、最后时钟频率"：位数错了，后面两项怎么调都读不对。

型号编码里这几位决定主站怎么配

192 的订货码每一位对应一个可选项，主站要跟它对上的是其中三项：数据长度、代码类型、分辨率。另外两项（功能、比例方向）决定的是行为，不是通信参数。

编码项	取值	含义
数据长度	1 / 2	1 = 25 位，2 = 24 位
代码类型	B / G	B = 二进制，G = 格雷码
分辨率	1 / 2 / 3 / 4 / 5 / 6 / 8	依次是 5 / 10 / 50 / 100 / 20 / 2 / 1 μm
功能	1	标准
比例方向	00 / 01	00 = 正向，01 = 返回

分辨率那一串数字不是按顺序排的：1 是 5 μm、2 是 10 μm、3 是 50 μm、4 是 100 μm、5 是 20 μm、6 是 2 μm、8 是 1 μm，中间没有 7。对着表核型号，不要按"数字越大越细"去猜，抄错一位就是整段比例错。

比例方向这一项最容易被忽略。它决定读数往哪个方向增大：正向是磁环远离电子仓时数据变大，返回是磁环靠近电子仓时数据变大。这一项订货时就定死了，和控制器里有没有"方向取反"是两个层面的事——订的是 01，主站就得按反向理解；现场想换，只能在控制器侧再翻一次。

格雷码：相邻的两个值只翻一位

位置是连续变化的量，传感器内部按格计数，输出的却是二进制或格雷码两种格式之一。

二进制的问题出在跨位进位：从 127 走到 128，七位一起翻。这七位不是同时到达主站的，线与线之间的延迟差、边沿抖动，都能让主站在翻位的那一瞬读到 255 或者 0——一个只该变化 1 个最小格的时刻，读数跳出几百格。

格雷码把相邻两个值编码成只差一位的形式，跨越进位时也只有一位在动，所以最坏情况只差 1 个最小格。位置测量用它，就是为了这个。

代价是主站必须做转换，读到的不是直接的数值：

// 格雷码转二进制：把所有右移值异或起来
uint32_t gray_to_bin(uint32_t g) {
    uint32_t b = 0;
    for (; g; g >>= 1) b ^= g;
    return b;
}

// 二进制转格雷码
uint32_t bin_to_gray(uint32_t b) { return b ^ (b >> 1); }

格式选错的特征很明显：曲线不单调，出现折返。因为在格雷码的位模式被当作二进制读时，相邻两个格对应的数值会大幅跳变，画成位置-时间曲线就是锯齿。与之对应的另一种形态是"读数看起来像被随机打乱"，而不是整体偏移——整体偏移属于零点问题，不是格式问题。

192 出厂按订货指定的格式，两种都支持。主站侧的格式设置在换传感器时必须重新确认，这一项和位数一样，不会自己跟着变。

时钟频率、线长、更新频率，三个数一起看

时钟频率不是主站想给多少就给多少，它被两件事夹住：线有多长，传感器自己多久更新一次。

线长决定上限。信号在电缆上有传播延迟，边沿也会被电容磨钝，线越长，允许的最高时钟越低。192 与 162 用的是同一套数字：

电缆长度	最高数据速率
< 3 m	1000 kBd
< 50 m	400 kBd
< 100 m	300 kBd
< 200 m	200 kBd
< 400 m	100 kBd

行程决定下限。传感器内部的测量是周期性的，行程越长，波导丝上传回来的时间越久，更新频率就越低。192 的更新频率随行程变化：300 mm 时 3.7 kHz，750 mm 时 3.0 kHz，1000 mm 时 2.3 kHz，2000 mm 时 1.2 kHz，5000 mm 时 0.5 kHz。

把两件事的账算一遍就很清楚，以 1000 kBd（一位约 1 μs）、17 位、1000 mm 行程为例：

• 一帧时钟串本身约 17 μs；
• 加上单稳态 48 μs，一次完整读取约 65 μs，理论最快约 15 kHz；
• 但传感器只以 2.3 kHz 在更新，所以真实上限是 2.3 kHz，约 430 μs 一次。

结论是反直觉的：在常用行程上，瓶颈几乎永远是传感器的更新频率，不是时钟频率。把时钟拉到 1000 kBd 却按 1 μs 的间隔去读，读到的会是同一帧重复值，或者干脆被单稳态挡住返回异常。主站的读取周期应当取"更新周期"与"单稳态加时钟串"两者中的较大值，再留一点余量。

线超过 200 米还要跑 500 kBd，就是这一类现场问题的起点——现象是偶发跳大数，而不是彻底不通。降频的做法与判据见 SSI 长线跳数：按时钟速率降频。

差分信号与七针接法

SSI 的时钟和数据都是差分对，这是它能跑几十米、上百米的前提。192 用 7 针 D70 公接头，针脚定义如下：

针脚	定义	线色
1	数据 −	黑
2	数据 +	白
3	时钟 +	黄
4	时钟 −	绿
5	+24 V	红
6	0 V	蓝
7	不接	—

两条现场经验：时钟对与数据对各自双绞，不要拆成四根散线走；屏蔽层焊在插头外壳上，只在控制器一侧接地，两头都接就形成地环流，反而把干扰引进来。

差分对极性接反不会烧设备，但表现很典型：数据对反接，读到的位全翻转，位置值变成"满量程减去真实位置"；时钟对反接，多数主站直接收不到帧。遇到"读数正好是反的"这种规律性错误，先查线序，不要去调位数。

它在接口谱系里的位置

SSI 的优势是读取时刻完全由主站决定，采样点确定、延迟确定，适合与其他动作严格对齐的场合；代价是每轴一根线，轴数一多线束成本就超过总线方案。与 4-20 mA、CANopen 的横向对照见 八种输出接口对照；想用自制板子直接做主站，见 CANopen 主站实现里的同类思路。

162 是 16 系列的 SSI 输出，位宽、速率、48 μs 单稳态这一套数字与 192 完全相同，差别在机械与耐压，不要订混，见 162 与 192 的区别。三项配置项怎么对齐，见 192 SSI 配置；SSI 输出地信号为什么不能随便转成模拟量，见 输出地信号与转接限制。192 系列是这类现场最常用的一款。

一句话

位数管"装得下"，分辨率管"分得细"，时钟管"来得及"，格雷码管"翻位不出错"。四件事分工不同，混在一起调就会一直调不通。