采用RS232總線與FPGA實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用

1、引言

三坐標(biāo)測量機(jī)做為一種高精度測量儀器，在機(jī)械工業(yè)、汽車工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本套通訊系統(tǒng)采用FPGA為主要通訊芯片，使用FPGA實(shí)現(xiàn)各通訊模塊對數(shù)據(jù)的收發(fā)，配合單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼、重封裝，實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)和控制系統(tǒng)的通訊；由于FPGA程序的并行執(zhí)行結(jié)構(gòu)和高的執(zhí)行速度，因此大大保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和快速性。

2、通訊模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 計算機(jī)與橋接卡的通訊

本系統(tǒng)采用RS232總線實(shí)現(xiàn)計算機(jī)和橋接卡之間的通訊。計算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過RS232總線傳輸?shù)綐蚪涌?，通過MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。FPGA檢測到起始位后接收數(shù)據(jù)，接收完數(shù)據(jù)后，將其存于UART接收FIFO[2]中；待接收到結(jié)束位時，F(xiàn)PGA產(chǎn)生中斷信號，觸發(fā)單片機(jī)讀取接收FIFO中的數(shù)據(jù)并對其解碼，判斷數(shù)據(jù)中的目的地址，根據(jù)目的地址決定是否處理或發(fā)送到控制板；橋接卡與計算機(jī)通訊時，首先將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后將數(shù)據(jù)置于發(fā)送FIFO中，啟動發(fā)送模塊，發(fā)送模塊自動將數(shù)據(jù)發(fā)出，數(shù)據(jù)經(jīng)MAX3232發(fā)送到總線上等待計算機(jī)的接收。

(1)串口發(fā)送模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

串口發(fā)送模塊從發(fā)送FIFO讀出數(shù)據(jù)后，根據(jù)串口通信協(xié)議，數(shù)據(jù)在向外發(fā)送時，低位在前，高位在后，所以將八位的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行編輯：前加停止位‘1’，后加起始位‘0’，變?yōu)槭粩?shù)據(jù)包，將十位數(shù)據(jù)按照設(shè)置波特率逐位發(fā)送即可，使用Modelsim進(jìn)行仿真，仿真圖見圖1（data位要發(fā)送的數(shù)據(jù)，tx為發(fā)送線）

(2)串口接收模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

總線空閑時當(dāng)檢測到由高到低變化時,表明數(shù)據(jù)開始傳輸，接收模塊準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)時低位在前，高位在后，當(dāng)接收到起始位后，每隔一個數(shù)據(jù)傳輸周期接收一次數(shù)據(jù)，待接收到八位數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)置于接收FIFO中，使用Modelsim進(jìn)行對發(fā)送模塊仿真見圖2（rxBuf為接收到的數(shù)據(jù)，低位在前，高位在后）：

2.2 橋接卡與控制卡及控制卡之間的通訊

由于橋接卡需要和多個控制卡進(jìn)行信息的交換，且不同的控制卡之間也需要數(shù)據(jù)傳輸，因此在進(jìn)行總線選擇時，必須保證各個器件都具有主控的權(quán)利，可以占用總線，本系統(tǒng)中橋接卡和控制卡及控制卡之間采用I2C[3][4]總線進(jìn)行通訊。

I2C總線是一種兩線式串行雙向總線，是多主控的總線，由時鐘線和數(shù)據(jù)線構(gòu)成，數(shù)據(jù)傳輸時，時鐘信號由主控器件產(chǎn)生。當(dāng)SCL為高電平時，SDA出現(xiàn)由高電平到低電平變化，表明開始傳送數(shù)據(jù)；當(dāng)SCL為高電平時，SDA出現(xiàn)低電平到高電平變化，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束；接收方收到數(shù)據(jù)后，需向發(fā)送方發(fā)出應(yīng)答信號；為了防止總線上數(shù)據(jù)沖突，總線有仲裁機(jī)制，當(dāng)總線同時被多個發(fā)送方占用時，首先出現(xiàn)高電平的發(fā)送方被仲裁掉，因此，最長低電平周期的器件占用總線，成為主控器件；被仲裁掉的器件，放棄總線，改為接收。

使用FPGA實(shí)現(xiàn)I2C總線時，需要建立三個模塊：總線監(jiān)視模塊，總線發(fā)送模塊，總線接收模塊。

①總線監(jiān)視模塊[5]的實(shí)現(xiàn)

總線監(jiān)視模塊用來為發(fā)送和接收模塊提供總線狀態(tài)，總線分為空閑、忙、等待三種狀態(tài)。當(dāng)總線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時，保持高電平，稱為空閑態(tài)；數(shù)據(jù)傳輸期間，總線為忙的狀態(tài)，如果主控方占用總線后沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則為等待狀態(tài)，如果總線等待時間超過設(shè)定時間，總線由等待轉(zhuǎn)為空閑態(tài)。發(fā)送、接收模塊需要得到的信號為起始信號、結(jié)束信號和狀態(tài)信號，由總線監(jiān)視模塊實(shí)現(xiàn)這些信號。使用Modelsim進(jìn)行仿真，得到波形如圖3：

②I2C發(fā)送模塊[6]的FPGA實(shí)現(xiàn)

發(fā)送模塊主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的發(fā)送；首先發(fā)送地址，發(fā)送完地址后，等待應(yīng)答信號，如果沒有響應(yīng)，則放棄總線；如果出現(xiàn)響應(yīng)，I2C發(fā)送模塊輸出RAM地址，讀取RAM的數(shù)據(jù),依次發(fā)送數(shù)據(jù)，每發(fā)送完一個字節(jié)，等待響應(yīng)信號，發(fā)送模塊根據(jù)RAM中的數(shù)據(jù)長度，將RAM數(shù)據(jù)讀完。為了防止多個主機(jī)同時占用總線，應(yīng)根據(jù)仲裁機(jī)制將總線上的非主控方仲裁掉，禁止其繼續(xù)占用總線。為了防止總線傳輸中信號延遲，當(dāng)向總線上發(fā)送下一數(shù)據(jù)時對總線上的狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果正確，再發(fā)送下一位數(shù)據(jù)。否則，放棄總線。使用Modelsim對I2C發(fā)送模塊進(jìn)行仿真如圖4。

I2C_outScl：發(fā)送時鐘；I2C_inScl：檢測時鐘

I2C_outSda：發(fā)送數(shù)據(jù)；I2C_inSda：檢測數(shù)據(jù)

desAddr:目的地址；msgData：發(fā)送數(shù)據(jù)

RAM_Addr:RAM的地址信號。

③I2C接收模塊[7]的FPGA實(shí)現(xiàn)

接收模塊接收到總線監(jiān)視模塊發(fā)送來的起始位信號后，準(zhǔn)備接收總線上的數(shù)據(jù)，接收到的地址后，判斷接收到的地址和電路板地址是否一致；當(dāng)兩者一致時，向總線置應(yīng)答信號ACK,繼續(xù)接收下面的數(shù)據(jù)，收到的數(shù)據(jù)置于接收ＦＩＦＯ中；如果地址不一致，則放棄總線。使用Modelsim對I2C接收模塊進(jìn)行仿真如圖4。

I2CbusIsBusy：總線狀態(tài)；I2C_start：起始信號

myAddr：電路板的地址； rxBuf：接收寄存器

rxFIFO_wr：接收FIFO的寫信號

3、通訊協(xié)議

上位機(jī)和橋接板之間采用RS232總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，橋接卡和控制卡以及各個控制卡之間采用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，通訊采用主叫和應(yīng)答方式,數(shù)據(jù)傳輸中使用單片機(jī)進(jìn)行解碼[8]。

主叫方發(fā)出指令后，等待對方響應(yīng)，如果主叫方寫指令到被叫方，則被叫方收到指令執(zhí)行操作后返回確認(rèn)信號；如果從主叫方讀指令，則被叫方在下一時刻占用總線后發(fā)送數(shù)據(jù)到主叫方，主叫方在0.5s內(nèi)沒有收到響應(yīng)包，表明傳輸失敗。若連續(xù)3次沒有響應(yīng)，則與對方通信連接失敗。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性，RS-232和Ｉ２Ｃ總線采用相同的通信協(xié)議。

數(shù)據(jù)傳輸時以“包”進(jìn)行封裝，中間加入長度位和奇偶校驗(yàn)位。封裝格式：起始字符+長度字符 +序列號+源地址+目的地址包類型+傳輸數(shù)據(jù)+包校驗(yàn)+結(jié)束字符；數(shù)據(jù)傳輸均采用ASCII碼。

包的定義：起始位定義為‘#’，占用一個字節(jié)，接收方接收到‘#’時，表明數(shù)據(jù)開始傳輸；長度字符定義為除起始字符、結(jié)束字符和校驗(yàn)字符的所有原始字符的長度，占用一個字節(jié)；源地址：發(fā)送方地址，占用一個字節(jié)；目的地址：接收方地址，占用一個字節(jié)，當(dāng)為‘00’時，定義為廣播地址；包類型：占用一個字節(jié)，表明數(shù)據(jù)的類型，接收方根據(jù)包類型執(zhí)行對應(yīng)操作；傳輸數(shù)據(jù)：控制量的大?。话ｒ?yàn)：定義為長度字符，源地址，目的地址，包類型和數(shù)據(jù)之和，占用兩個字節(jié)；結(jié)束位：定義為‘~’，當(dāng)接收方接收到結(jié)束字符時，表明本包傳輸結(jié)束,對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，長度位和校驗(yàn)位正確時執(zhí)行指令，否則，放棄改數(shù)據(jù)包。

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用該通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和四控制卡之間的通訊控制，使用串口助手進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，在發(fā)送數(shù)據(jù)間隔為5us的情況下對該通訊系統(tǒng)進(jìn)行測試，在進(jìn)行8小時的測試中，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、錯誤、死機(jī)現(xiàn)象；使用廣播地址進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，返回信號正確，沒出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

使用該通訊系統(tǒng)對四個電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)實(shí)際輸出情況如表1：

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了該通訊系統(tǒng)的可用性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

使用該系統(tǒng)采用廣播地址實(shí)現(xiàn)四個電機(jī)同步聯(lián)動，各個軸的運(yùn)動情況如表2：

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了各個電機(jī)實(shí)現(xiàn)了指定的轉(zhuǎn)動角度；各個軸運(yùn)動期間，電機(jī)的狀態(tài)經(jīng)過I2C總線[9]及RS-232總線通訊系統(tǒng)成功的發(fā)送到了上位機(jī)，通訊系統(tǒng)沒有出現(xiàn)死機(jī)和數(shù)據(jù)丟失，經(jīng)過該實(shí)驗(yàn)，證明了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

4、結(jié)論

本系統(tǒng)采用FPGA進(jìn)行通訊系統(tǒng)的設(shè)計，提高了數(shù)據(jù)的傳輸率和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了對控制機(jī)構(gòu)及時、快速的控制，有效防止突發(fā)事件的處理，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸，可以有效快速的實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度、位置控制、準(zhǔn)確的讀取電機(jī)的編碼器信號。