一種基于FPGA的BiSS編碼器解碼器設(shè)計

作者簡介：李紹軍（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為光電云臺伺服控制。

0   引言

BiSS 協(xié)議是一種時鐘頻率高達10 MHz 的串行通信協(xié)議，物理上采用RS422 差分總線方式，使用BiSS 通信協(xié)議的光電編碼器具有數(shù)據(jù)線占用少、抗干擾性強、通信速率快等優(yōu)點，在機器人、數(shù)控機床、雷達轉(zhuǎn)臺等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛^[1-2]。一些新型微控制器已經(jīng)具備了物理上支持BiSS 通信協(xié)議的外設(shè)接口，如Infineon 公司的XMC4000 系列使用SPI 接口可完成BiSS 協(xié)議解碼功能^[3]，但當(dāng)進行伺服電機控制時需要CPU 在執(zhí)行FOC 算法的基礎(chǔ)上實時通過較復(fù)雜的軟件實現(xiàn)BiSS 協(xié)議解碼，增加了CPU的負擔(dān)；TI 公司的TMS320F3837x 系列使用CLB 模塊配合SPI 外設(shè)接口實現(xiàn)對BiSS 協(xié)議的解碼^[4]，可以減輕CPU 的負擔(dān)，但CLB 外設(shè)數(shù)量有限。且這些方式均難以達到BiSS 協(xié)議最高時鐘頻率，綜合比較使用FPGA 解碼可降低CPU 負擔(dān)同時可充分發(fā)揮BiSS 協(xié)議時鐘頻率高的優(yōu)點。文中針對BiSS 協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式，設(shè)計了BiSS 協(xié)議解碼器狀態(tài)機和CRC 校驗器，并使用Moldisim 對校驗過程進行仿真，FPGA 將解碼數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP，通過驅(qū)動永磁同步電機對該設(shè)計的解碼效果進行了驗證。

1   解碼器硬件設(shè)計

1.1 BiSS協(xié)議分析

旋轉(zhuǎn)編碼器是伺服電機常用的一種位置傳感器，常見外部接口形式有RS422、SSI、BiSS 等。使用RS422或者SSI 接口時時鐘頻率一般低于1 MHz，且受限于總線協(xié)議單幀傳輸位數(shù)限制，當(dāng)需要傳輸?shù)奈恢脭?shù)據(jù)位數(shù)較多時會導(dǎo)致編碼器位置采樣頻率偏低。另一種常見位置傳感器是旋轉(zhuǎn)變壓器，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前旋轉(zhuǎn)編碼器更容易實現(xiàn)比旋轉(zhuǎn)變壓器更高的分辨率，而BiSS 協(xié)議由于時鐘頻率高，傳輸位數(shù)多，可以輕松實現(xiàn)對位置數(shù)據(jù)20 kHz 的采樣頻率，因此使用BiSS 協(xié)議的旋轉(zhuǎn)編碼器十分適用于動態(tài)性能要求高的伺服控制領(lǐng)域。BiSS 協(xié)議最初由德國IC-Haus 公司提出，是一種較為新型的開放式同步串行通信總線協(xié)議，在提出后很快開發(fā)出BiSS-B 協(xié)議并得到廣泛應(yīng)用，后由于海德漢公司對BiSS-B 協(xié)議的專利訴求，導(dǎo)致很多編碼器廠商聯(lián)合開發(fā)出BiSS-C 協(xié)議^[5-6]。根據(jù)工作模式，BiSS 協(xié)議可分為傳感器模式和寄存器模式，寄存器模式便于使用者掌握更多編碼器狀態(tài)信息，傳感器模式與寄存器模式相比傳輸信息少，因此具有更高的位置采樣頻率。圖1 所示為亨士樂公司BiSS-B 協(xié)議編碼器時序和雷尼紹公司BiSS-C 協(xié)議編碼器時序?qū)Ρ葓D，見文獻^[7-8]。由圖中可見，BiSS-B 和BiSS-C 協(xié)議高度相似，均由2 條信號線構(gòu)成，其中一條為時鐘線，另一條為數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線上均有Ack 位、Start 位、位置數(shù)據(jù)位、error 位、Warn 位、CRC 校驗位和Timeout 位；不同點在于BiSS-C 協(xié)議在Start 位和位置數(shù)據(jù)位間還有額外的1 bit 0 位。

文中就BiSS-B 協(xié)議的旋轉(zhuǎn)編碼器傳感器模式展開討論。

1.2 硬件電路設(shè)計

電機控制模塊采用DSP+FPGA 雙控制器方式，F(xiàn)PGA 負責(zé)采集與永磁同步電機同軸安裝的BiSS 編碼器位置數(shù)據(jù)，提供給DSP 用于FOC 算法計算。FPGA通過內(nèi)部定時器定時執(zhí)行BiSS 數(shù)據(jù)解碼周期，每個周期內(nèi)BiSS 時序解碼模塊產(chǎn)生BiSS 總線MA 時鐘，直到該幀數(shù)據(jù)時序完成，同時接收BiSS 總線SLO 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)，根據(jù)BiSS 時序定義從中提取出有用的位置、錯誤位、警告位、CRC 校驗位數(shù)據(jù)段送至CRC 校驗?zāi)K進行處理，根據(jù)BiSS 編碼器的時序長度可以靈活調(diào)整定時器采樣頻率，以實現(xiàn)最大采樣頻率。CRC 校驗?zāi)K按照協(xié)議規(guī)定的校驗規(guī)則計算出收到有效數(shù)據(jù)位所對應(yīng)的CRC 校驗碼，并與收到數(shù)據(jù)中的CRC 校驗位段進行對比，若兩者一致則判斷該幀數(shù)據(jù)校驗正確，為有效數(shù)據(jù)，并將經(jīng)過校驗的正確數(shù)據(jù)存入FPGA 內(nèi)RAM 單元，DSP 通過XINTF 接口定時從FPGA 內(nèi)部RAM 讀取解析到的編碼器位置數(shù)據(jù)，完成BiSS-B 協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)解碼；若兩者不一致則判斷校驗錯誤，將該幀數(shù)據(jù)丟棄，并對錯誤次數(shù)進行計數(shù)，連續(xù)數(shù)次檢驗到錯誤數(shù)據(jù)則發(fā)出報警信號觸發(fā)DSP 啟動保護措施，防止電機飛車。硬件電路框圖如圖2 所示。

BiSS-B 協(xié)議編碼器物理接口為RS422 電平標準，使用TI 公司的高速全雙工RS485 收發(fā)器SN65HVD77將FPGA 的MA 時鐘信號和SLO 數(shù)據(jù)信號將電平轉(zhuǎn)換為兩組差分信號線，連接至BiSS 協(xié)議編碼器。該收發(fā)器支持信號傳輸速率>50 Mbit/s，可涵蓋BiSS 協(xié)議最高傳輸速率。接口電路圖如圖3 所示。

圖3 接口電路圖

解碼器軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要涉及通過FPGA 完成對BiSS-B 協(xié)議數(shù)據(jù)幀的解碼以及對解碼結(jié)果的校驗，以下從狀態(tài)機設(shè)計和CRC 校驗器設(shè)計兩方面進行介紹。文中編碼器使用亨士樂公司的AD36-1213AF.0RBI 型多圈絕對式編碼器。

2.1 狀態(tài)機設(shè)計

BiSS-B 協(xié)議時序具有數(shù)據(jù)幀長度不固定、數(shù)據(jù)幀信息復(fù)雜的特點，狀態(tài)機是FPGA 設(shè)計中常用的一種設(shè)計方法，基于狀態(tài)機的設(shè)計可大大提高設(shè)計的靈活性和通用性，因此文中設(shè)計了基于狀態(tài)機的BiSS-B 協(xié)議時

序解碼模塊。根據(jù)圖1 中BiSS-B 協(xié)議時序，F(xiàn)PGA 作為主設(shè)備，BiSS 編碼器作為從設(shè)備，F(xiàn)PGA 解碼模塊初始狀態(tài)為超時狀態(tài)，應(yīng)將時鐘線MA 狀態(tài)拉高，并確認數(shù)據(jù)線SLO 狀態(tài)為常高。當(dāng)超時狀態(tài)準備就緒后，通過將時鐘線MA 狀態(tài)拉低1 個時鐘啟動1 次BiSS 協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將狀態(tài)機狀態(tài)切換為空閑狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)線SLO 上從設(shè)備應(yīng)答響應(yīng)。正常情況下從設(shè)備將數(shù)據(jù)線SLO 狀態(tài)拉低一段時間，狀態(tài)機將轉(zhuǎn)入應(yīng)答狀態(tài)。待從設(shè)備將數(shù)據(jù)線SLO 狀態(tài)再次拉高時，狀態(tài)機轉(zhuǎn)入開始狀態(tài)，并檢測SLO 高狀態(tài)時長，若時長為1 個MA 時鐘則轉(zhuǎn)入讀取狀態(tài)，否則將回到初始超時狀態(tài)。在讀取狀態(tài)中，將對數(shù)據(jù)線SLO 上的數(shù)據(jù)進行讀取，直到數(shù)據(jù)位數(shù)達到時序協(xié)議中規(guī)定的位數(shù)，然后將時鐘線MA狀態(tài)拉高轉(zhuǎn)入超時狀態(tài)，等待開始下一次循環(huán)。整個流程如圖4 所示。

2.2 CRC校驗?zāi)K設(shè)計

CRC 校驗全稱為循環(huán)冗余校驗，是一種常用于檢測通信協(xié)議或存儲設(shè)備中原始數(shù)據(jù)是否發(fā)生數(shù)據(jù)位意外變動的錯誤檢測算法^[9]。其基本思想是對實際有用數(shù)據(jù)位按照一定的計算方法提取出對應(yīng)的唯一一組特征值，將特征值附加在有用數(shù)據(jù)后發(fā)送至數(shù)據(jù)接收端，接收端將讀取到的數(shù)據(jù)按照同樣的計算方法得到一組特征值，若兩組特征值一致則表示讀取數(shù)據(jù)有效。

文中BiSS-B 協(xié)議編碼器產(chǎn)品手冊規(guī)定CRC 校驗采用CRC-6 校驗算法，其等效多項式為：

X⁶+X+1   （1）

可以利用一組移位寄存器和異或門電路來進行等效電路計算CRC-6 算法校驗結(jié)果，其硬件等效電路如圖5 所示，C5-C0 對應(yīng)6 位移位寄存器從高至低的每位。

CRC 校驗?zāi)K輸入數(shù)據(jù)從最高位開始逐位與CRC校驗結(jié)果字段最高位bit5 進行異或運算，異或結(jié)果作為CRC 校驗結(jié)果字段的最低位bit0，并同時與bit0 異或，其結(jié)果作為bit1，其他bit 位依次為低1 bit 位移位結(jié)果。按照上述方式，應(yīng)對AD36-1213AF.0RBI 型編碼器的位置數(shù)據(jù)位、error 位、Warn 位和CRC 校驗位進行CRC 校驗，并將校驗結(jié)果與CRC 校驗位進行對比。使用Modelsim 對CRC 校驗?zāi)K設(shè)計的合理性進行驗證。驗證結(jié)果如圖6 所示。在圖6 中，I_Rx_Data 為33 位經(jīng)BiSS 時序解碼模塊提取的數(shù)據(jù)，CRC_Result 為CRC 校驗結(jié)果，連續(xù)3組CRC 校驗結(jié)果和對應(yīng)的三組輸入數(shù)據(jù)末6 位CRC 位一致，表明CRC 校驗正確。

圖6 Modelsim CRC校驗結(jié)果圖

3   實驗驗證

以EP4CE30 型FPGA 和TMS320F28335 型DSP 構(gòu)成的硬件電路為基礎(chǔ)，對BiSS-B 編碼器數(shù)據(jù)進行了采集解析，圖7 所示為FPGA 端BiSS-B 編碼器數(shù)據(jù)時序監(jiān)測結(jié)果，通道1 為MA 時鐘線波形，頻率為5 MHz，通道2 為SLO 數(shù)據(jù)線波形，由圖中可見完成1 次數(shù)據(jù)解析時間約30 μs，可滿足至少20 kHz 的編碼器數(shù)據(jù)采樣速率。

圖7 BiSS-B編碼器波形圖

電機驅(qū)動模塊速度環(huán)給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/m，連續(xù)采樣多個周期的AD36-1213AF.0RBI 型編碼器未經(jīng)濾波處理的原始數(shù)據(jù)并解析出對應(yīng)單圈和多圈位置數(shù)據(jù)，如圖8 所示。

圖8 BiSS-B編碼器單圈/多圈數(shù)據(jù)圖

編碼器單圈/ 多圈數(shù)據(jù)值分布情況如表1 為所示。依據(jù)多個連續(xù)周期里編碼器數(shù)據(jù)計算出的平均轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速差異較小，可知編碼器數(shù)據(jù)值采樣正確，一致性較好。

表1 編碼器單圈/多圈值

采集速度環(huán)反饋轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，如圖9 所示。由圖中可見，使用BiSS 編碼器作為位置傳感器時電機速度環(huán)響應(yīng)較快，超調(diào)量小于8%，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.6%，具有較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。驗證了該BiSS 解碼器設(shè)計的合理性。

圖9 電機速度響應(yīng)曲線圖

4   結(jié)束語

通過對BiSS 協(xié)議的分析基礎(chǔ)上，文中提出了BiSS協(xié)議編碼器解碼方案，通過實物試驗驗證了該方案的合理性，具有解析準確、采樣速度快的特點，對不同的BiSS 協(xié)議具有適用性，適合應(yīng)用于BiSS 協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)解析場合中。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）