通信技術(shù)在三坐標(biāo)測量系統(tǒng)中的應(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[1]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(jì)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(jì)算機(jī)與橋接卡的通訊

　　本系統(tǒng)采用RS232總線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和橋接卡之間的通訊。計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過RS232總線傳輸?shù)綐蚪涌ǎㄟ^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(shí)，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(jì)算機(jī)通訊時(shí)，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(jì)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(shí)，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(shí)當(dāng)檢測到由高到低變化時(shí),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(shí)低位在前，高位在后，當(dāng)接收到起始位后，每隔一個(gè)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(gè)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(shí)，必須保證各個(gè)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(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線構(gòu)成，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，時(shí)鐘信號由主控器件產(chǎn)生。當(dāng)SCL為高電平時(shí)，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(shí)，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(shí)被多個(gè)發(fā)送方占用時(shí)，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(shí)，需要建立三個(gè)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(shí)，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(shí)間超過設(shè)定時(shí)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(gè)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(gè)主機(jī)同時(shí)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(shí)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(shí)鐘；I2C_inScl：檢測時(shí)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。