李紹軍 胡福東 李其昌 梁冬冬 夏偉光

摘 要：針對(duì)目前BiSS協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)讀取多采用FPGA實(shí)現(xiàn)的實(shí)際情況，文中介紹一種基于XMC4500微控制器的BiSS協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)讀取實(shí)現(xiàn)方案。采用該方案，可將使用BiSS協(xié)議編碼器的伺服系統(tǒng)控制電路常用的DSP+FPGA雙控制器架構(gòu)方式簡(jiǎn)化為XMC4500單控制器方式，在一定程度上降低了硬件成本和開發(fā)難度。用該方案采集BiSS協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)的實(shí)物平臺(tái)，使用LabVIEW顯示對(duì)讀取的數(shù)據(jù)，并與電機(jī)自帶增量編碼器值進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)記錄BiSS協(xié)議編碼器實(shí)際數(shù)據(jù)波形圖，結(jié)果表明，該方案具有較高的采樣速率和較好的讀取效果，具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：BiSS；XMC4500；DSP；FPGA；LabVIEW

0 引言

BiSS協(xié)議是一種快速雙向通信協(xié)議，具有通信速率高、抗干擾能力強(qiáng)、硬件電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在伺服系統(tǒng)位置傳感器領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的使用[1-2]。BiSS通信協(xié)議物理接口采用全雙工差分RS422方式，但由于其時(shí)序較為獨(dú)立及長(zhǎng)度不定，難以使用常用的通用異步串口直接對(duì)BiSS協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)解碼讀取。實(shí)際使用中，BiSS協(xié)議的編碼器數(shù)據(jù)可通過(guò)編碼器廠商提供的專用解碼芯片、微控制器或FPGA讀取[3]。編碼器廠商提供的專用解碼芯片一般價(jià)格較高且功能單一；文 獻(xiàn)[4]中提出使用CY8C29466微控制器對(duì)BiSS協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，以讀取正確的解碼值，但受限于微控制器功能及性能，只能實(shí)現(xiàn)較低的采樣速率，難以滿足高速、高性能伺服控制系統(tǒng)的要求；文獻(xiàn)[5]提出使用A3P400型FPGA對(duì)BiSS協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，以準(zhǔn)確讀取解碼值且具有較高采樣速率，但FPGA只用于編碼器數(shù)據(jù)采集，實(shí)際伺服電機(jī)由DSP驅(qū)動(dòng)，即伺服系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)采用DSP+FPGA方式實(shí)現(xiàn)。這種雙控制器方式通過(guò)高性能DSP實(shí)現(xiàn)控制算法的快速準(zhǔn)確計(jì)算，同時(shí)利用FPGA的并行機(jī)理完成信號(hào)采集[6]。如果可以使用較為簡(jiǎn)化的硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)BiSS協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的解碼，并具有較高的數(shù)據(jù)采樣速率，這樣的方式顯然具有更高實(shí)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)方案

BiSS-B在BiSS協(xié)議中應(yīng)用最為廣泛，由于涉及專利保護(hù)問(wèn)題，隨之開發(fā)出BiSS-C協(xié)議，BiSS-C與BiSS-B可實(shí)現(xiàn)物理接口兼容[7]，不同點(diǎn)在于兩者時(shí)序定義略有差異，文中編碼器使用BiSS-B協(xié)議。BiSS協(xié)議具有傳感器模式和寄存器模式兩種不同工作模式，前者可實(shí)現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)的快速讀取，后者可實(shí)現(xiàn)編碼器寄存器數(shù)據(jù)的讀寫雙向訪問(wèn)[8]，文中基于傳感器模式對(duì)方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

BiSS協(xié)議編碼器使用Hengstler公司的AD36-1213 AF.0RBI多圈絕對(duì)式光電編碼器，其具有500 kHz帶寬，適合作為無(wú)刷伺服電機(jī)位置傳感器。

BiSS-B協(xié)議傳感器模式時(shí)序如圖1所示。

MA為BiSS總線的時(shí)鐘線，SLO為Biss總線的數(shù)據(jù)線。當(dāng)MA和SLO同為高電平狀態(tài)時(shí)，總線處于空閑時(shí)間，不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。非空閑時(shí)間BiSS-B協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)線SLO上的數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示，圖中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示該段數(shù)據(jù)所占用的MA時(shí)鐘個(gè)數(shù)，不帶括號(hào)的表示與MA時(shí)鐘個(gè)數(shù)無(wú)關(guān)。

根據(jù)3種不同BiSS協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)解碼方式特點(diǎn)和BiSS-B協(xié)議編碼器時(shí)序的分析，文中采用XMC4500微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)BiSS-B協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)的解碼，該方案硬件電路組成如圖3所示。

XMC4500是Infineon公司推出的基于Arm Cortex-M4 內(nèi)核的微控制器，主頻可以達(dá)到120 MHz，其內(nèi)部集成多種專用電機(jī)控制外設(shè)，有多達(dá)6個(gè)通信接口方面，分別用于UART、SPI、IIC和IIS等4種不同功能的通用串行接口。本文使用其SPI功能接口實(shí)現(xiàn)對(duì)BiSS-B編碼器數(shù)據(jù)的解碼。XMC4500的SPI接口MOSR引腳作為輸出引腳，輸出BiSS協(xié)議編碼器時(shí)鐘線MA信號(hào)；MRSO引腳作為輸入引腳，采集BiSS協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)線SLO上的信號(hào)。LabVIEW是一種圖形化編程的數(shù)據(jù)采集軟件，具有數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理等功能，可減少程序代碼編寫，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間[9]。為方便對(duì)BiSS編碼器數(shù)據(jù)的觀察，使用LabVIEW設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的上位機(jī)，顯示XMC4500通過(guò)UART接口定時(shí)發(fā)出的編碼器解碼數(shù)據(jù)。

XMC4500將BiSS-B協(xié)議編碼器MA線狀態(tài)由空閑時(shí)間的高電平狀態(tài)置為低電平狀態(tài)，以啟動(dòng)一次 BiSS-B總線上的數(shù)據(jù)發(fā)送。作為回應(yīng)，編碼器會(huì)在一定時(shí)間后將SLO線狀態(tài)由高電平置為低電平狀態(tài)，并隨后再次置為高電平，以表示開始傳輸位置數(shù)據(jù)。位置數(shù)據(jù)以Start位開始，后面依次為：12位多圈計(jì)數(shù)值用于記錄編碼器旋轉(zhuǎn)圈數(shù)；13位單圈計(jì)數(shù)值用于記錄編碼器單圈位置；1位錯(cuò)誤位用于監(jiān)測(cè)光電編碼器LED工作狀態(tài)；1位警告位用于監(jiān)測(cè)編碼器內(nèi)部傳感器工作環(huán)境溫度、6位CRC校驗(yàn)位和Timeout段。

2 軟件設(shè)計(jì)

XMC4500的SPI接口有長(zhǎng)達(dá)64位的FIFO存儲(chǔ)空間，可以一次性存儲(chǔ)全部BiSS-B協(xié)議數(shù)據(jù)幀。初始化時(shí)，應(yīng)對(duì)SPI接口的波特率及FIFO存儲(chǔ)空間進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。文中BiSS-B協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)通過(guò)定時(shí)中斷來(lái)讀取。根據(jù)BiSS-B協(xié)議編碼器傳感器模式時(shí)序，XMC4500的MOSR引腳先發(fā)送若干Ack位檢測(cè)時(shí)鐘，直到MRSO引腳檢測(cè)到Ack位為止。由于編碼器輸出SLO數(shù)據(jù)響應(yīng)MA時(shí)鐘和總線傳輸有一定延遲時(shí)間，需要測(cè)量并記錄Ack位相對(duì)時(shí)鐘延遲時(shí)間以進(jìn)行補(bǔ)償。然后，XMC4500的MOSR引腳根據(jù)數(shù)據(jù)幀有效位數(shù)不斷發(fā)送其他數(shù)據(jù)位時(shí)鐘，同時(shí)MRSO引腳將SLO線數(shù)據(jù)逐一存儲(chǔ)。當(dāng)有效數(shù)據(jù)位數(shù)計(jì)數(shù)完畢后，XMC4500讀取存于FIFO中的數(shù)據(jù)幀位，并根據(jù)編碼器Timeout延遲時(shí)間將MA線拉高直至數(shù)據(jù)幀結(jié)束。根據(jù)前面記錄的Ack位延遲時(shí)間，對(duì)讀取的FIFO數(shù)據(jù)幀位逐一處理，并采用多數(shù)表決方式確定每位的準(zhǔn)確值，完成編碼器單圈和多圈位置值重組，并定時(shí)將通過(guò)CRC校驗(yàn)的正確位置值發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示。CRC校驗(yàn)方式為BiSS-B協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)幀中的多圈值+單圈值+錯(cuò)誤位+警告位。根據(jù)編碼器CRC計(jì)算等式，將計(jì)算出的6位CRC校驗(yàn)值與數(shù)據(jù)幀結(jié)尾處的6位動(dòng)態(tài)隨機(jī)CRC校驗(yàn)值比較，若兩者相同則表示接收編碼器數(shù)據(jù)正確，該讀取值可以使用；否則應(yīng)判定為錯(cuò)誤值，予以忽略。編碼器數(shù)據(jù)讀取軟件程序工作流程圖如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用安川公司SGMM-A2C312伺服電機(jī)配合AD36- 1213AF.0RBI多圈絕對(duì)值光電編碼器搭建的實(shí)物平臺(tái)對(duì)該方案實(shí)際效果進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)物驗(yàn)證平臺(tái)如圖5所示。

LabVIEW上位機(jī)分別顯示編碼器上傳的單圈和多圈位置值，如圖6所示。編碼器單圈位置值為13位，最大值8 191，多圈值為12位，最大值為4 195。

將同步采集伺服電機(jī)自帶的2 048線增量式編碼器位置值與采集到的13位絕對(duì)式編碼器位置值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比效果如圖7所示。

記錄連續(xù)3個(gè)周期采集到的絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器輸出的位置值，并計(jì)算每個(gè)周期的平均速度，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

采用絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器連續(xù)3個(gè)周期獲得的平均速度相比誤差很小，可見采用XMC4500采集的絕對(duì)式編碼器值與增量式編碼器相比具有較好的準(zhǔn)確度和線性度。

使用XMC4500的SPI接口對(duì)BiSS-B協(xié)議編碼器以傳感器模式讀取實(shí)際時(shí)序波形，如圖8所示。圖中通道1為MA線波形，通道2為SLO線波形，與BiSS-B協(xié)議傳感器模式協(xié)議時(shí)序一致。

局部波形如圖9所示，圖中可見，XMC4500的SPI接口所提供的MA線時(shí)鐘頻率大于5 MHz。

綜合圖8和圖9進(jìn)行分析，使用XMC4500微控制器SPI接口對(duì)該型編碼器完成一次讀取用時(shí)少于28 μs，其中包含編碼器廠商設(shè)定的Timeout時(shí)間約（10～15）μs， 可實(shí)現(xiàn)較高的采樣速率。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于XMC4500讀取BiSS協(xié)議編碼器數(shù)據(jù)的方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可替代FPGA完成對(duì)BiSS協(xié)議的解碼，具有較高的數(shù)據(jù)采樣速率。使用該方法可以用XMC4500單控制器替代DSP+FPGA方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)BiSS協(xié)議編碼器伺服系統(tǒng)的控制，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，具有較好的參考價(jià)值。

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