基于DSP和FPGA的磁浮列車485通信研究

0引言

　　在高速磁浮交通系統(tǒng)中，車載測(cè)速定位單元對(duì)車輛的位置和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將位置和速度信號(hào)通過(guò)無(wú)線電系統(tǒng)傳送至地面上的牽引控制系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)，以用于長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)牽引的反饋控制及車輛運(yùn)行的指揮和安全防護(hù)。測(cè)速定位單元是牽引和運(yùn)控系統(tǒng)閉環(huán)控制的核心和關(guān)鍵。

　　測(cè)速定位單元緊鄰懸浮電磁鐵及長(zhǎng)定子繞組和鐵心，處于懸浮磁場(chǎng)和牽引磁場(chǎng)中，電磁環(huán)境非常復(fù)雜，對(duì)其通信設(shè)備的電磁兼容性能提出了很高的要求。另外，為滿足牽引控制系統(tǒng)的需求，測(cè)速定位信號(hào)的精度要求相當(dāng)高。因此，對(duì)測(cè)速定位信號(hào)傳輸?shù)乃俣取?shí)時(shí)性及可靠性都有非常高的要求。

1同步485的實(shí)現(xiàn)方法

　　考慮到測(cè)速定位單元的工作環(huán)境及通信功能需求，在選擇其與車載無(wú)線電系統(tǒng)之間的通信方式時(shí)，經(jīng)過(guò)分析和比較，決定采用傳輸速率較高的同步通信方式，并使用屏蔽性能較好的雙絞線實(shí)現(xiàn)RS-485平衡型差分傳輸。

　　1.1接口設(shè)計(jì)及通信協(xié)議

　　測(cè)速定位單元與車載無(wú)線電控制單元之間的通信接口關(guān)系如圖1所示。車載無(wú)線電控制單元為主控方，車輛測(cè)速與定位單元為受控方。通信雙方均由收發(fā)器和控制器構(gòu)成，收發(fā)器之間采用RS-485同步串行接口方式，每個(gè)接口有4對(duì)差分線。

圖1通信接口關(guān)系示意圖

　　圖1中，CLK為時(shí)鐘信號(hào)，ANF為無(wú)線電請(qǐng)求信號(hào)，UEF為門控信號(hào)，DATA為數(shù)據(jù)信號(hào)。車輛測(cè)速定位單元每20ms向無(wú)線電控制單元發(fā)送一次數(shù)據(jù)，傳輸速率為512kbps。為了防止信號(hào)干擾的小脈沖，ANF信號(hào)的寬度為10個(gè)CLK信號(hào);在ANF信號(hào)變?yōu)榈托盘?hào)后，等待10個(gè)CLK信號(hào)寬度后，UEF才開始跳變?yōu)橛行?。ANF、UEF、DATA信號(hào)均在CLK的上升沿變化，在無(wú)信號(hào)傳輸時(shí)，UEF、DATA、ANF均為低電平，時(shí)鐘信號(hào)保持傳輸。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用左移方式，即先傳高位，后傳低位。信息幀格式如表1所示：

　　表1信息幀格式

　　1.2同步485的收發(fā)器實(shí)現(xiàn)

　　在本文所論述的通信系統(tǒng)中，在車輛測(cè)速定位單元及車載無(wú)線電控制單元雙方均采用Xilinx公司的XC2S100作為通信的收發(fā)器，模擬同步485的發(fā)送與接收時(shí)序。同步485的FPGA設(shè)計(jì)主要是基于Verilog硬件描述語(yǔ)言，所使用的EDA工具包括ISE（含其內(nèi)部集成工具）、Modelsim。

　?。?）時(shí)鐘及定時(shí)信號(hào)的的產(chǎn)生：

　　對(duì)于車載無(wú)線電控制單元需要產(chǎn)生512k速率的時(shí)鐘信號(hào)與20ms一次的ANF（無(wú)線電請(qǐng)求）信號(hào)。另外，對(duì)于該單元在串行接收定位數(shù)據(jù)時(shí)其接收時(shí)鐘應(yīng)為512k（波特率時(shí)鐘）的16倍，即8M。因此，分頻器在同步485通信方式中得到廣泛應(yīng)用。

　　1）偶數(shù)分頻較為簡(jiǎn)單，只需設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，待計(jì)數(shù)至分頻數(shù)的二分之一時(shí)使分頻后的時(shí)鐘電平翻轉(zhuǎn)即可;奇數(shù)分頻較為復(fù)雜，因?yàn)橛?jì)數(shù)器不能對(duì)非整數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，需使用一定的算法進(jìn)行處理。對(duì)奇數(shù)分頻模塊進(jìn)行功能仿真后的波形如圖2所示：

圖2分頻模塊仿真波形

　　2）ANF信號(hào)的產(chǎn)生：ANF信號(hào)每隔20ms發(fā)送一次，每次發(fā)送脈寬為10個(gè)時(shí)鐘周期。ANF信號(hào)的產(chǎn)生可以分成兩部分實(shí)現(xiàn)，首先產(chǎn)生每隔20ms的脈沖信號(hào)，然后把此脈沖信號(hào)的寬度變成10個(gè)時(shí)鐘周期。

　　（2）串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收

　　1）串行數(shù)據(jù)的產(chǎn)生：根據(jù)通信協(xié)議的要求，測(cè)速定位單元每隔20ms應(yīng)串行移出72bits數(shù)據(jù)。如果每個(gè)發(fā)送時(shí)鐘周期移出一位，則需要72個(gè)時(shí)鐘周期才能全部移出，因此門控信號(hào)也需要保持72個(gè)時(shí)鐘周期的寬度。

　　2）串行數(shù)據(jù)的接收：同步串行接收一幀（72bits）數(shù)據(jù)與異步串行接收是不同的。由于收發(fā)時(shí)鐘不是異步的，因此不能以判斷在空閑態(tài)以后出現(xiàn)的第一個(gè)低電平作為一幀的開始，而是以門控信號(hào)（UEF）的上升沿作為一幀數(shù)據(jù)到來(lái)的判斷。為了避免數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中毛刺的影響，仍以波特率時(shí)鐘的16倍進(jìn)行接收，即每隔16個(gè)波特率時(shí)鐘周期采樣一次，因此每個(gè)數(shù)據(jù)將在傳輸?shù)拿恳晃坏闹悬c(diǎn)處被采樣。

　　串行數(shù)據(jù)發(fā)送與接受的仿真時(shí)序圖如圖3所示。

圖3同步485仿真時(shí)序圖

　　1.3收發(fā)器與控制器之間的數(shù)據(jù)交換

　　基于RS-485的同步通信時(shí)序是用FPGA作為通信收發(fā)器來(lái)模擬的，但是通信數(shù)據(jù)最終是與系統(tǒng)的CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。在該通信方式的設(shè)計(jì)中，通信雙方均采用TI公司的TMS320F2812作為處理器，即通信的控制器。FPGA與DSP的數(shù)據(jù)交換必須滿足一定的時(shí)序，才能保證測(cè)速定位單元向車載無(wú)線電控制單元實(shí)時(shí)地傳輸位置及速度信號(hào)。本系統(tǒng)中，DSP控制器采用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

　?。?）測(cè)速定位單元側(cè)DSP與FPGA的數(shù)據(jù)交換

　　TMS320F2812的外部存儲(chǔ)器XINTF可供選擇的外部地址空間有XINTF0，XINTF2，XINTF6。其中XINTF0使用XZCS0AND1作為片選信號(hào)，外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展空間為8K;XINTF2與XINTF6分別使用XZCS2、XZCS6AND7作為片選信號(hào)，外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展空間均為0.5M。測(cè)速定位單元在發(fā)送位置速度信息時(shí)，是通過(guò)DSP的數(shù)據(jù)線傳輸?shù)紽PGA，DSP根據(jù)相應(yīng)的外部存儲(chǔ)器片選信號(hào)找出對(duì)應(yīng)的地址，在從底層傳感器得到一個(gè)新的定位數(shù)據(jù)后寫入該地址。相對(duì)應(yīng)的硬件連接框圖如圖4所示：

圖4車輛測(cè)速定位單元DSP控制器向FPGA收發(fā)器寫數(shù)據(jù)的硬件連接示意圖

　　根據(jù)協(xié)議要求，定位信息每次發(fā)送時(shí)包括5個(gè)字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)和2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)，因此16bits數(shù)據(jù)線至少需要連續(xù)發(fā)送四次才能將底層的定位信息完整地傳送到FPGA。

　　為了減少硬連線，這里只連接地址線的高五位，對(duì)其中的低四位地址線進(jìn)行4-16譯碼，最高位地址線作為該譯碼器的使能信號(hào)。取對(duì)應(yīng)于一個(gè)外部存儲(chǔ)器片選信號(hào)的四個(gè)地址，比如片選信號(hào)XZCS2為低（對(duì)應(yīng)的外部存儲(chǔ)器地址范圍：0x080000—0x100000），即可選用0xe0000，0xe4000，0xe8000，0xec000四個(gè)地址作為DSP向FPGA寫數(shù)據(jù)的地址。

　　由于每個(gè)不同的地址都對(duì)應(yīng)一個(gè)地址譯碼值，當(dāng)四個(gè)譯碼值都出現(xiàn)后才可認(rèn)為一次定位信息傳送完成。這時(shí)把連續(xù)接收到的七個(gè)字節(jié)加上幀頭及幀尾作為測(cè)速定位單元發(fā)送給車載無(wú)線電控制單元的一幀數(shù)據(jù)。相對(duì)應(yīng)的地址譯碼值如表2所示。

　　表2地址譯碼值

　?。?）車載無(wú)線電控制單元側(cè)DSP與FPGA的數(shù)據(jù)交換

　　由于采樣時(shí)間為毫秒級(jí)，為了避免占用過(guò)多的CPU資源，車載無(wú)線電控制單元中DSP從FPGA讀數(shù)據(jù)時(shí)不采用查詢方式，而采用外部中斷來(lái)接收數(shù)據(jù)。將DSP的16bits數(shù)據(jù)線與FPGA連接，DSP的XINT1也連接到FPGA的I/O管腳。若選用XZCS0AND1作為外部存儲(chǔ)器片選信號(hào)，則DSP從FPGA讀數(shù)據(jù)的尋址空間范圍為0x002000—0x004000，這個(gè)地址范圍內(nèi)所讀出的數(shù)據(jù)即為數(shù)據(jù)線上傳送到DSP的定位數(shù)據(jù)。相對(duì)應(yīng)的硬件連接框圖如下：

圖5車載無(wú)線電傳輸單元DSP控制器從FPGA收發(fā)器讀數(shù)據(jù)的硬件連接示意圖

　　由于FPGA傳送到DSP的一幀數(shù)據(jù)為72bits，因此通過(guò)16bits數(shù)據(jù)線傳輸需要分5次才能傳送完，每16bits數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)產(chǎn)生一次外部中斷。設(shè)波特率時(shí)鐘為512k，假設(shè)來(lái)自定位單元完整的一幀數(shù)據(jù)為0x02123456789abcde03，車載無(wú)線電單元通過(guò)16bits數(shù)據(jù)線分次轉(zhuǎn)發(fā)到DSP的數(shù)據(jù)則為0x0002,0x1234,0x5678,0x9abc,0xde03。數(shù)據(jù)及中斷信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)序如圖6所示。由圖6可以看出，每對(duì)應(yīng)移出一次dataout，都會(huì)相應(yīng)地發(fā)出一個(gè)外部中斷信號(hào)xint1，DSP一旦接收到外部中斷便在中斷服務(wù)子程序中從16bits數(shù)據(jù)線讀取信號(hào)值。為了完整的接收一幀信號(hào)，可在外部中斷服務(wù)程序中定義一個(gè)16級(jí)FIFO，當(dāng)從FIFO的最底層讀出的數(shù)據(jù)為0x02時(shí)，便可以判斷一幀數(shù)據(jù)的開始（若在用戶數(shù)據(jù)和校驗(yàn)值中存在0x02則要進(jìn)行相應(yīng)的字符轉(zhuǎn)義），依次接收以下的數(shù)據(jù)便得到完整的一幀定位信息。

圖6車載無(wú)線電傳輸單元DSP控制器從FPGA收發(fā)器讀數(shù)據(jù)的仿真波形

2通信雙方的原理圖

　　根據(jù)以上對(duì)同步485實(shí)現(xiàn)方法的描述，在ISE中利用ECS工具所描繪的頂層原理圖如下，包括測(cè)速定位單元同步數(shù)據(jù)發(fā)送和車載無(wú)線電控制單元同步數(shù)據(jù)接收。

　　定位測(cè)速單元同步數(shù)據(jù)發(fā)送方的原理圖如圖7所示。

圖7同步數(shù)據(jù)發(fā)送方原理圖

　　圖7中，addr_decode為地址譯碼模塊，用于從DSP完整地接收一幀定位信息;tra485data為串行數(shù)據(jù)及門控信號(hào)發(fā)送模塊。其中，din（15:0）直接來(lái)自DSP的16bits數(shù)據(jù)線;addr（3:0）與DSP的A17-A14地址線相連;clkin及anfin信號(hào)由車載無(wú)線電控制單元提供。輸出的dataout及uefout經(jīng)過(guò)輸出緩沖及差分電平轉(zhuǎn)換后送給車載無(wú)線電控制單元。

　　車載無(wú)線電控制單元同步數(shù)據(jù)接收方的原理圖如圖8所示。

圖8同步數(shù)據(jù)接收方原理圖

　　圖8中，divide_512k為發(fā)送時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，產(chǎn)生通信所需的波特率時(shí)鐘;anf_shift用于產(chǎn)生無(wú)線電請(qǐng)求信號(hào);rec485data用于串行接收定位信息并通過(guò)dataconvert模塊轉(zhuǎn)發(fā)到通信控制器。其中，Dataout（15:0）直接通過(guò)數(shù)據(jù)線連到DSP，Xint1則連到DSP的外部中斷1。anfout和clkout由輸入的晶振頻率分頻后得到，經(jīng)輸出緩沖及差分電平轉(zhuǎn)換后送給車輛測(cè)速定位單元。

3結(jié)束語(yǔ)

　　在高速磁浮列車特殊的通信環(huán)境中，基于RS-485物理層的同步通信方式體現(xiàn)出其抗干擾性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好，誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)，且實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，硬件連接也不復(fù)雜。利用FPGA所實(shí)現(xiàn)的通信收發(fā)器設(shè)計(jì)靈活、可靠性高，其功能在實(shí)際應(yīng)用中已得到驗(yàn)證，且效果良好。