PC機和激光沒距雷達雙路高速數(shù)據(jù)通信接口卡

摘要：闡述了ＰＣ機和激光測距雷達雙路高速串行數(shù)據(jù)通訊接口卡的系統(tǒng)構成。重點介紹了ＲＳ－４２２Ａ高速串行通訊接口及收發(fā)控制、接口卡和ＰＣ機通信緩沖區(qū)的共享、卡上資源分配等關鍵性問題。

關鍵詞：ＲＳ－４２２ 高速串行通信 接口卡 雙端口ＲＡＭ ＦＰＧＡ

在我們智能自主式移動機器人項目的研制中，采用了兩路二維激光雷達來完成障礙物檢測、路標檢測及地圖匹配等工作。我們采用的激光雷達均提供了一種ＲＳ－４２２串行通訊接口。雷達通過與ＰＣ機的握手通信完成初始化工作之后，便分別以４０ｍｓ和８０ｍｓ為工作周期將測距結果以５００Ｋｂｐｓ的速率發(fā)送至ＰＣ機。ＰＣ機收到每一幀數(shù)據(jù)后便開始隨后的處理工作。工作周期為８０ｍｓ的激光雷達每幀數(shù)據(jù)長度為８１２字節(jié)，工作周期為４０ｍｓ的激光雷達每幀數(shù)據(jù)長度為４１２字節(jié)。

若采用目前市面上能提供的普通串行數(shù)據(jù)通信卡來完成ＰＣ機與激光雷達的數(shù)據(jù)通信有三個缺點：

·商用通信卡很少能達到如此高的通訊速率；

·商用通信卡只能一個字節(jié)一個字節(jié)的接收，即使啟用卡上的ＦＩＦＯ一次也只能收?。保秱€字節(jié)，這樣必然消耗ＰＣ機很多寶貴的數(shù)據(jù)處理時間；

·由于ＰＣ機運行的ｗｉｎｄｏｗｓ９８系統(tǒng)是非任務搶斷型的操作系統(tǒng)，在如此高的通訊速率要求下（兩路雷達數(shù)據(jù)同時到來時對ＰＣ機來說瞬時通訊速率為１Ｍｂｐｓ，有時會導致系統(tǒng)丟失一幀數(shù)據(jù)中的某幾個字節(jié)，從而使整幀數(shù)據(jù)成為廢幀，影響了系統(tǒng)的可靠工作。

因此，必須根據(jù)應用要求，自行研制ＰＣ機和激光測距雷達雙路高速數(shù)據(jù)通信接口卡。

1 接口卡研制目標和總體方案

針對激光測距雷達在智能自主式移動機器人中的應用要求，我們對接口卡的設計提出了如下的總體目標：能夠順利地接收并存儲最多三幀的兩路雷達數(shù)據(jù)，并按ＰＣ機命令要求，完成一定的簡單數(shù)據(jù)預處理后將結果轉(zhuǎn)送給ＰＣ機，由ＰＣ機做進一步的高級處理。

根據(jù)系統(tǒng)要求，板卡上的ＣＰＵ決定選用８０Ｃ１９６ＫＤ單片機。８０Ｃ１９６ＫＤ是Ｉｎｔｅｌ公司繼ＭＣＳ－９６之后的一種高性能１６位單片機，它功能強、速度快、使用方便、抗干擾性能好，在工業(yè)控制、智能儀表、家電中都得到了廣泛應用[１]。系統(tǒng)總體方案見圖１。

2 系統(tǒng)設計中的幾項關鍵技術

2.1 ＲＳ－４２２通訊接口及收發(fā)控制

ＲＳ－４２２Ａ通信接口標準使用單一＋５Ｖ電源供電，是一個平衡型接口。它采用差動發(fā)送、差動接收的工作方式，發(fā)送和接收電路使用各自獨立的平衡驅(qū)動器、接收器對，因而排除了各接收器地電勢差帶來的影響。使用ＲＳ－４２２Ａ接口標準最大通信速率可達１０Ｍｂ／ｓ（對應通信距離１２ｍ），最大通信距離可達１２００ｍ（對應通信速率為１０ｋｂ／ｓ。

對于５００ｋｂ／ｓ高速的串行通信，靠８０Ｃ１９６ＫＤ自帶的串行通信接口已無法承擔，必須采用專用的異步串行通信收發(fā)器（ＵＡＲＴ）來實現(xiàn)。下面先簡要介紹一下系統(tǒng)中采用的ＴＩ公司的ＵＡＲＴ產(chǎn)品１６Ｃ５５０Ｃ。

ＴＩ公司生產(chǎn)的異步收發(fā)器（ＵＡＲＴ）ＴＬ１６Ｃ５５０Ｃ是ＴＬ１６Ｃ４５０的升級，它的主要功能與ＴＬ１６Ｃ４５０完全相同，但是它片內(nèi)多了一塊１６個字節(jié)的先進先出（ＦＩＦＯ）存儲部件，用于緩解高速通信場合下ＣＰＵ的繁忙程度。當片內(nèi)的ＦＩＦＯ被激活時，最多允許在ＦＩＦＯ中存儲１６個字節(jié)作為緩沖。為提高ＣＰＵ讀數(shù)據(jù)的速度，該片支持ＤＭＡ操作。

１６Ｃ５５０Ｃ在外設或ＭＯＤＥＭ接收到串行數(shù)據(jù)時能自動完成串并轉(zhuǎn)換并存儲，在收到ＣＰＵ發(fā)來的數(shù)據(jù)時能自動完成并串轉(zhuǎn)換并發(fā)送。在ＵＡＲＴ工作過程中ＣＰＵ能隨時查詢到ＵＡＲＴ此時的工作狀態(tài)。它最高可支持１Ｍｂｐｓ的串行通訊速率[２]。

ＲＳ－４２２接口通訊部分原理圖見圖２。

差動發(fā)送器采用ＳＮ７５１７４，差動接收器則采用ＳＮ７５１７５。由于系統(tǒng)要求的通信速度很高，因此一般的光電隔離器件如ＴＬＰ５２１系列不能滿足要求，而應采用高速光耦。美國Ｇｅｎｅｒａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司生產(chǎn)的高速光電耦合器６Ｎ１３７，由磷砷化鎵發(fā)光二極管和單片光敏集成檢測電路組成。通過光敏二極管接收信號并經(jīng)內(nèi)部高增益放大器把信號放大后，由集電極開路門作為輸出。該器件隔離電壓高，速度快，共模抑制性強，完全能勝任高速通訊工作。

另外，為提高系統(tǒng)的抗干擾性，除了采取高速光電隔離以外，對每一路高速通訊口均采用了一個電源隔離模塊，這樣即使在外部通訊受到強干擾甚至短路的情況下，也能保證計算機的絕對安全。

激光測距雷達的數(shù)據(jù)由ＴＬ１６Ｃ５５０Ｃ接收后，向８０Ｃ１９６ＫＤ發(fā)出數(shù)據(jù)有效信號，由８０Ｃ１９６ＫＤ來取走其緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。

2.2 接口卡和ＰＣ機通信緩沖區(qū)的共享

接口卡和ＰＣ機共享ＲＡＭ的實現(xiàn)方式一般有以下三種方案：

· 采用雙端口ＲＡＭ，該方式速度高，應用方便，適用于共享數(shù)據(jù)區(qū)兩側(cè)需要頻繁高速地交換數(shù)據(jù)的場合，但成本稍高；

·采用單口ＲＡＭ，并附加以一定的控制邏輯以保證某一時刻ＲＡＭ的總線只和一個宿主相連接，以避免發(fā)生總線沖突。這種方式適用于交換數(shù)據(jù)量較小，次數(shù)也不頻繁的場合，尤其是不能有ＲＡＭ兩側(cè)的宿主同時要占用ＲＡＭ的情況；

·采用兩片單口ＲＡＭ做輪換郵箱，并附加以一定的控制邏輯。當郵箱一側(cè)的宿主向第一片ＲＡＭ寫入數(shù)據(jù)時，郵箱另一側(cè)的宿主可從第二片ＲＡＭ中讀數(shù)據(jù)；當郵箱一側(cè)的宿主需要向第二片ＲＡＭ寫入數(shù)據(jù)時，郵箱另一側(cè)的宿主可又從第一片ＲＡＭ中讀數(shù)據(jù)。如此反復完成數(shù)據(jù)的交換過程，中間總線的切換由硬件控制邏輯來保證。這種方式克服了方案２不能有ＲＡＭ兩側(cè)的宿主同時占用ＲＡＭ的缺點，能實時地交換數(shù)據(jù)，但控制邏輯較為復雜。

在本接口卡中，由于ＲＡＭ一方面要及時存放兩路激光雷達的數(shù)據(jù)，一方面又要隨時準備ＰＣ機來獲取數(shù)據(jù)，完全有可能發(fā)生ＰＣ機在讀ＲＡＭ中某一路激光雷達數(shù)據(jù)的同時板卡必須接收另一路激光雷達的數(shù)據(jù)的情況，故而方案２顯然不行。而方案３的控制邏輯相對復雜而且芯片多，占用面積大。所以第一方案是最佳選擇。我們采用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７１３４雙端口ＲＡＭ作為系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)存儲區(qū)，容量為４ＫＢ[３]。

板卡與ＩＳＡ總線的接口模塊采用ＡＬＴＥＲＡ公司的現(xiàn)場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）芯片ＥＦＰ６０１６－１４４來實現(xiàn)。內(nèi)部邏輯的構造采用ＡＬＴＥＲＡ公司的硬件描述語言ＡＤＨＬ程序來實現(xiàn)。ＡＤＨＬ是一種模塊化的高級語言，它特別適合于描述復雜的組合邏輯、組運算和狀態(tài)機、真值表和參數(shù)化的邏輯[４]。

參考ＰＣ機中ＩＯ端口使用情況可知，ＰＣ機中一般均為用戶板卡的使用留有端口，如２Ｅ０Ｈ～２ＥＦＨ段和３００Ｈ～３０ＦＨ這一段均是用戶擴展板卡可使用的ＩＯ端口地址。故本通信卡中狀態(tài)寄存器使用２Ｅ２Ｈ，控制寄存器使用２Ｅ３Ｈ，２Ｅ０Ｈ作為共享ＲＡＭ中的數(shù)據(jù)讀寫端口，２Ｅ１Ｈ作為數(shù)據(jù)讀寫時的地址預置端口。各端口指向的寄存器各位的意義如下：

·狀態(tài)讀取端口 （地址：２Ｅ２Ｈ）

Ｄ０：Ｌ１－ＤＡＴＡ，雷達１的數(shù)據(jù)有效；

Ｄ１：Ｌ２－ＤＡＴＡ，雷達２的數(shù)據(jù)有效；

Ｄ２：１９６－ＢＵＳＹ，板卡ＣＰＵ正忙；

Ｄ３：恒為１

Ｄ４：恒為１

Ｄ５：Ｌ１－Ｗ－ＡＣＫ，Ｃ１９６已收到ＰＣ機寫入的雷達１的數(shù)據(jù)；

Ｄ６：Ｌ２－Ｗ－ＡＣＫ，Ｃ１９６已收到ＰＣ機寫入的雷達２的數(shù)據(jù)；

Ｄ７：恒為１。

·控制端口 （地址：２Ｅ３Ｈ）

Ｄ０：Ｌ１－ＡＣＫ，ＰＣ機對Ｌ１－ＤＡＴＡ的應答信號；

Ｄ１：Ｌ２－ＡＣＫ，ＰＣ機對Ｌ２－ＤＡＴＡ的應答信號；

Ｄ２：Ｌ１－ＷＲ，ＰＣ機已對板卡寫入雷達１的控制信號；

Ｄ３：Ｌ２－ＷＲ，ＰＣ機已對板卡寫入雷達２的控制信號；

Ｄ４：ＷＡＫＥ－ＯＵＴ，ＰＣ機給板卡ＣＰＵ的喚醒信號；

Ｄ５：恒為０；

Ｄ６：ＰＣ－ＲＥＳＥＴ，ＰＣ機對板卡的復位信號；

Ｄ７：恒為０。

·地址預置端口 （地址：２Ｅ１Ｈ，）

Ｄ７～Ｄ４：恒為０；

Ｄ３～Ｄ０：為板卡ＲＡＭ的１２位地址總線中的高４位，板卡ＲＡＭ的低八位地址初始值為００Ｈ。

·數(shù)據(jù)讀寫端口（地址：２Ｅ０Ｈ）

ＰＣ機從該端口讀雷達數(shù)據(jù)或?qū)懤走_命令。

2.3 接口卡資源分配及ＰＣ機命令

板卡上４Ｋ的數(shù)據(jù)共享ＲＡＭ的存儲區(qū)分配如下：

００００Ｈ～０９ＦＦＨ：共２．５ＫＢ容量，為串口Ｉ的接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)；

０Ａ００Ｈ～０ＥＦＦＨ：共１．２ＫＢ容量，為串口ＩＩ的接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)；

０Ｆ００Ｈ～０Ｆ８０Ｈ：共１２８Ｂ容量，為串口Ｉ的發(fā)送命令存儲區(qū)；

０Ｆ８１Ｈ～０ＦＦＦＨ：共１２８Ｂ容量，為串口ＩＩ的發(fā)送命令存儲區(qū)。

板卡能接收并處理的命令有三種：

外設初始化命令格式如下：

接收數(shù)據(jù)加窗處理命令如下：

接收數(shù)據(jù)平滑處理命令如下：

所有命令都是０１Ｈ有效，００Ｈ則無效。

2.4 板卡與雷達的握手通信協(xié)議

板卡與雷達的握手通信協(xié)議共分以下五個步驟：

·設定板卡自身的通訊波特率為９６００；

·向雷達發(fā)送啟動安裝模式的命令，并等待雷達應答數(shù)據(jù)返回。

·向雷達發(fā)送命令，設置雷達的通訊波特率為５００Ｋｂｐｓ；

·設置板卡自身的通訊速率為５００Ｋｂｐｓ；

·向雷達發(fā)送命令，設置其為“連續(xù)發(fā)送測試數(shù)據(jù)模式”，并等待雷達應答數(shù)據(jù)返回。

此后雷達便開始以一定的時間周期將測試數(shù)據(jù)以５００Ｋｂｐｓ的通訊速率發(fā)送至板卡。

協(xié)議中具體的命令字節(jié)格式等跟雷達型號有關，篇幅所限，在此不再說明。

3 接口卡工作過程

ＰＣ機上電后，板卡自動復位并通過“ＩＤＬＰＤ ＃２”指令進入掉電工作方式。當激光雷達將要被初始化時，ＰＣ機通過將控制端口寄存器的Ｄ４位置１來“喚醒”板卡工作。然后向?qū)诿顓^(qū)寫入雷達初始化命令，板卡將根據(jù)命令中雷達類型執(zhí)行相應的初始化操作。初始化應答過程如上所述。

初始化成功后，板卡便開始接收數(shù)據(jù)，接收完后依據(jù)校驗字對數(shù)據(jù)進行ＣＲＣ校驗。正確無誤則去掉應答數(shù)據(jù)的頭和尾，只剩下總數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（１６ｂｉｔ）和數(shù)據(jù)，并根據(jù)ＰＣ機的要求對雷達掃描數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)平滑或數(shù)據(jù)加窗處理。處理后的數(shù)據(jù)存放在雙口ＲＡＭ的相應存儲區(qū)中，然后通過將對應的Ｌ－ＤＡＴＡ信號置高告知ＰＣ機前來取數(shù)據(jù)。

ＰＣ機通過查詢端口檢測到雷達數(shù)據(jù)有效后，即以對應的Ｌ－ＡＣＫ信號作為應答。然后板卡和ＰＣ機分別撤消各自的信號。ＰＣ機可開始讀取對應雷達的數(shù)據(jù)。當ＰＣ機想從板卡共享ＲＡＭ的某一地址開始讀寫數(shù)據(jù)時，先向２Ｅ１Ｈ端口寄存器寫入１２位共享ＲＡＭ地址的高４位，低八位使其自動為零。當ＰＣ機讀寫完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)時，通過ＦＰＧＡ構造的片內(nèi)計數(shù)器，該ＥＩＳＡ接口能自動將地址加一，指向ＲＡＭ中的下一個字節(jié)單元。這樣，ＰＣ機在讀寫板卡ＲＳ－４２２接收的數(shù)據(jù)時，只需在讀寫之前設定一次地址，然后就可以連續(xù)不斷地從板卡中讀取成塊的數(shù)據(jù)，從而大大提高了端口傳送數(shù)據(jù)的速度。

同樣，當ＰＣ機向板卡寫入命令時，除向?qū)诿顓^(qū)寫入命令外，置位相應的Ｌ－ＷＲ信號，以告知板卡。板卡即以對應Ｌ－ＷＲＡＣＫ信號作為應答。隨后ＰＣ機和板卡分別撤消各自的信號。板卡取出命令解釋并執(zhí)行相應的操作。

綜上所述，本文所設計的ＰＣ機與激光測距雷達高速串行通信接口卡具有如下特點：

·具有雙路高達５００Ｋｂｐｓ的高速ＲＳ－４２２數(shù)據(jù)通信接口，可靠性好，通信效率極高；

·采用ＦＰＧＡ和雙端口ＲＡＭ做ＩＳＡ總線接口及高速共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，只占用很少的ＰＣ機端口資源就實現(xiàn)了板卡和ＰＣ機高速的數(shù)據(jù)通信和共享；

·劃分了主ＰＣ機和板卡的任務范圍，擬訂了命令代碼，能做到主從ＣＰＵ一定程度地高速并行處理；

·上層ＰＣ機的接口軟件設計簡單方便，只需在ＷＩＮＤＯＷＳ下開一個線程監(jiān)視板卡的狀態(tài)端口即可，避免了編寫設備驅(qū)動程序的煩瑣工作。

該接口卡已成功地應用在智能自主式移動機器人中主處理機和激光測距雷達的通信方面，取得了滿意的效果。