采用RS232总线与FPGA实现三坐标测量系统的设计应用

1、引言

三坐标测量机做为一种高精度测量仪器，在机械工业、汽车工业、航空航天等领域具有广泛的应用。本套通讯系统采用FPGA为主要通讯芯片，使用FPGA实现各通讯模块对数据的收发，配合单片机对数据进行编码、解码、重封装，实现了计算机和控制系统的通讯；由于FPGA程序的并行执行结构和高的执行速度，因此大大保证了数据传输的准确性和快速性。

2、通讯模块的实现

2.1 计算机与桥接卡的通讯

本系统采用RS232总线实现计算机和桥接卡之间的通讯。计算机发送的数据，经过RS232总线传输到桥接卡，通过MAX3232芯片实现电平转换。FPGA检测到起始位后接收数据，接收完数据后，将其存于UART接收FIFO[2]中；待接收到结束位时，FPGA产生中断信号，触发单片机读取接收FIFO中的数据并对其解码，判断数据中的目的地址，根据目的地址决定是否处理或发送到控制板；桥接卡与计算机通讯时，首先将数据进行编码，然后将数据置于发送FIFO中，启动发送模块，发送模块自动将数据发出，数据经MAX3232发送到总线上等待计算机的接收。

(1)串口发送模块的FPGA实现

串口发送模块从发送FIFO读出数据后，根据串口通信协议，数据在向外发送时，低位在前，高位在后，所以将八位的数据重新进行编辑：前加停止位‘1’，后加起始位‘0’，变为十位数据包，将十位数据按照设置波特率逐位发送即可，使用Modelsim进行仿真，仿真图见图1（data位要发送的数据，tx为发送线）

(2)串口接收模块的FPGA实现

总线空闲时当检测到由高到低变化时,表明数据开始传输，接收模块准备接收数据，接收数据时低位在前，高位在后，当接收到起始位后，每隔一个数据传输周期接收一次数据，待接收到八位数据后将数据置于接收FIFO中，使用Modelsim进行对发送模块仿真见图2（rxBuf为接收到的数据，低位在前，高位在后）：

2.2 桥接卡与控制卡及控制卡之间的通讯

由于桥接卡需要和多个控制卡进行信息的交换，且不同的控制卡之间也需要数据传输，因此在进行总线选择时，必须保证各个器件都具有主控的权利，可以占用总线，本系统中桥接卡和控制卡及控制卡之间采用I2C[3][4]总线进行通讯。

I2C总线是一种两线式串行双向总线，是多主控的总线，由时钟线和数据线构成，数据传输时，时钟信号由主控器件产生。当SCL为高电平时，SDA出现由高电平到低电平变化，表明开始传送数据；当SCL为高电平时，SDA出现低电平到高电平变化，表示数据传送结束；接收方收到数据后，需向发送方发出应答信号；为了防止总线上数据冲突，总线有仲裁机制，当总线同时被多个发送方占用时，首先出现高电平的发送方被仲裁掉，因此，最长低电平周期的器件占用总线，成为主控器件；被仲裁掉的器件，放弃总线，改为接收。

使用FPGA实现I2C总线时，需要建立三个模块：总线监视模块，总线发送模块，总线接收模块。

①总线监视模块[5]的实现

总线监视模块用来为发送和接收模块提供总线状态，总线分为空闲、忙、等待三种状态。当总线上没有数据传输时，保持高电平，称为空闲态；数据传输期间，总线为忙的状态，如果主控方占用总线后没有数据发送，则为等待状态，如果总线等待时间超过设定时间，总线由等待转为空闲态。发送、接收模块需要得到的信号为起始信号、结束信号和状态信号，由总线监视模块实现这些信号。使用Modelsim进行仿真，得到波形如图3：

②I2C发送模块[6]的FPGA实现

发送模块主要实现对数据的发送；首先发送地址，发送完地址后，等待应答信号，如果没有响应，则放弃总线；如果出现响应，I2C发送模块输出RAM地址，读取RAM的数据,依次发送数据，每发送完一个字节，等待响应信号，发送模块根据RAM中的数据长度，将RAM数据读完。为了防止多个主机同时占用总线，应根据仲裁机制将总线上的非主控方仲裁掉，禁止其继续占用总线。为了防止总线传输中信号延迟，当向总线上发送下一数据时对总线上的状态进行判断，如果正确，再发送下一位数据。否则，放弃总线。使用Modelsim对I2C发送模块进行仿真如图4。

I2C_outScl：发送时钟；I2C_inScl：检测时钟

I2C_outSda：发送数据；I2C_inSda：检测数据

desAddr:目的地址；msgData：发送数据

RAM_Addr:RAM的地址信号。

③I2C接收模块[7]的FPGA实现

接收模块接收到总线监视模块发送来的起始位信号后，准备接收总线上的数据，接收到的地址后，判断接收到的地址和电路板地址是否一致；当两者一致时，向总线置应答信号ACK,继续接收下面的数据，收到的数据置于接收ＦＩＦＯ中；如果地址不一致，则放弃总线。使用Modelsim对I2C接收模块进行仿真如图4。

I2CbusIsBusy：总线状态；I2C_start：起始信号

myAddr：电路板的地址； rxBuf：接收寄存器

rxFIFO_wr：接收FIFO的写信号

3、通讯协议

上位机和桥接板之间采用RS232总线进行数据传输，桥接卡和控制卡以及各个控制卡之间采用I2C总线进行数据的传输，通讯采用主叫和应答方式,数据传输中使用单片机进行解码[8]。

主叫方发出指令后，等待对方响应，如果主叫方写指令到被叫方，则被叫方收到指令执行操作后返回确认信号；如果从主叫方读指令，则被叫方在下一时刻占用总线后发送数据到主叫方，主叫方在0.5s内没有收到响应包，表明传输失败。若连续3次没有响应，则与对方通信连接失败。

为了实现数据的一致性，RS-232和Ｉ２Ｃ总线采用相同的通信协议。

数据传输时以“包”进行封装，中间加入长度位和奇偶校验位。封装格式：起始字符+长度字符 +序列号+源地址+目的地址包类型+传输数据+包校验+结束字符；数据传输均采用ASCII码。

包的定义：起始位定义为‘#’，占用一个字节，接收方接收到‘#’时，表明数据开始传输；长度字符定义为除起始字符、结束字符和校验字符的所有原始字符的长度，占用一个字节；源地址：发送方地址，占用一个字节；目的地址：接收方地址，占用一个字节，当为‘00’时，定义为广播地址；包类型：占用一个字节，表明数据的类型，接收方根据包类型执行对应操作；传输数据：控制量的大小；包校验：定义为长度字符，源地址，目的地址，包类型和数据之和，占用两个字节；结束位：定义为‘~’，当接收方接收到结束字符时，表明本包传输结束,对数据包进行处理，长度位和校验位正确时执行指令，否则，放弃改数据包。

4、实验结果

使用该通讯系统实现和四控制卡之间的通讯控制，使用串口助手进行数据收发，在发送数据间隔为5us的情况下对该通讯系统进行测试，在进行8小时的测试中，系统没有出现数据丢失、错误、死机现象；使用广播地址进行数据发送，返回信号正确，没出现死机现象。

使用该通讯系统对四个电机进行控制，电机实际输出情况如表1：

本实验数据证明了该通讯系统的可用性及数据传输的准确性。

使用该系统采用广播地址实现四个电机同步联动，各个轴的运动情况如表2：

本实验数据证明了各个电机实现了指定的转动角度；各个轴运动期间，电机的状态经过I2C总线[9]及RS-232总线通讯系统成功的发送到了上位机，通讯系统没有出现死机和数据丢失，经过该实验，证明了数据传输的正确性。

4、结论

本系统采用FPGA进行通讯系统的设计，提高了数据的传输率和准确性，实现了对控制机构及时、快速的控制，有效防止突发事件的处理，经实验证明，本系统快速、准确的实现了数据的传输，可以有效快速的实现对电机的速度、位置控制、准确的读取电机的编码器信号。