基于DSP和FPGA的磁浮列車485通信研究

1、基于dsp和fpga的磁浮列車485通信研究在高速磁浮交通系統(tǒng)中，車載測(cè)速定位單元對(duì)車輛的位置和速度舉行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將位置和速度信號(hào)通過系統(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)行的指揮和平安防護(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)境十分復(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?、?shí)時(shí)性及牢靠性都有十分高的要求。1 同步485的實(shí)現(xiàn)辦法考慮到測(cè)速定位單元

2、的工作環(huán)境及通信功能需求，在挑選其與車載無線電系統(tǒng)之間的通信方式時(shí)，經(jīng)過分析和比較，打算采納傳輸速率較高的同步通信方式，并用法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線電控制單元之間的通信接口關(guān)系1所示。車載無線電控制單元為主控方，車輛測(cè)速與定位單元為受控方。通信雙方均由和控制器構(gòu)成，收發(fā)器之間采納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)系暗示圖圖1中，clk為時(shí)鐘信號(hào)，anf為無線電哀求信號(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向無線電控制單元發(fā)送一次數(shù)據(jù)，傳輸速率為512kbps。

3、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才開頭跳變?yōu)橛行?。anf、uef、data信號(hào)均在clk的升高沿變幻，在無信號(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)，采納左移方式，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線電控制單元雙方均采納公司的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的設(shè)計(jì)主要是基于硬件描述語言，所用法的工具包括ise（含其內(nèi)部集成工具）

4、、modelsim。（1）時(shí)鐘及定時(shí)信號(hào)的的產(chǎn)生：對(duì)于車載無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（無線電哀求）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)分頻較為容易，只需設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器舉行計(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，由于計(jì)數(shù)器不能對(duì)非整數(shù)舉行計(jì)數(shù)，需用法一定的算法舉行處理。對(duì)奇數(shù)分頻模塊舉行功能后的波形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

5、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：按照通信協(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)。假如每個(gè)發(fā)送時(shí)鐘周期移出一位，則需要72個(gè)時(shí)鐘周期才干所有移出，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。因?yàn)槭瞻l(fā)時(shí)鐘不是異步的，因此不能以推斷在空閑態(tài)以后浮現(xiàn)的第一個(gè)低電平作為一幀的開頭，而是以門控信號(hào)（uef）的升高沿作為一幀數(shù)據(jù)到來的推斷。為了避開數(shù)據(jù)傳輸過程中毛刺的影響，仍以波

6、特率時(shí)鐘的16倍舉行接收，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)器來模擬的，但是通信數(shù)據(jù)終于是與系統(tǒng)的cpu舉行數(shù)據(jù)交換的。在該通信方式的設(shè)計(jì)中，通信雙方均采納ti公司的tms320f2812作為處理器，即通信的控制器。fpga與的數(shù)據(jù)交換必需滿足一定的時(shí)序，才干保證測(cè)速定位單元向車載無線電控制單元實(shí)時(shí)地傳輸位置及速度信號(hào)。本系統(tǒng)中，dsp控制器采納舉行軟件設(shè)計(jì)。（1）測(cè)速定位單元側(cè)dsp與fpga的數(shù)據(jù)

7、交換tms320f2812的外部存儲(chǔ)器xintf可供挑選的外部地址空間有xintf0，xintf2，xintf6。其中xintf0用法xzcs0and1作為片選信號(hào)，外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展空間為8k;xintf2與xintf6分離用法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dsp的數(shù)據(jù)線傳輸?shù)絝pga，dsp按照相應(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)的硬件銜接框圖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)的硬件銜接暗示圖按照協(xié)議要求，定位信息每次發(fā)送時(shí)包括5

8、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)線起碼需要延續(xù)發(fā)送四次才干將底層的定位信息完整地傳送到fpga。為了削減硬連線，這里只銜接地址線的高五位，對(duì)其中的低四位地址線舉行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：0x0800000x100000），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。因?yàn)槊總€(gè)不同的地址都對(duì)應(yīng)一個(gè)地址譯碼值，當(dāng)四個(gè)譯碼值都浮現(xiàn)后才可認(rèn)為一次定位信息傳送完成。這時(shí)把延續(xù)接收到的七個(gè)字節(jié)

9、加上幀頭及幀尾作為測(cè)速定位單元發(fā)送給車載無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（2）車載無線電控制單元側(cè)dsp與fpga的數(shù)據(jù)交換因?yàn)椴蓸訒r(shí)光為毫秒級(jí)，為了避開占用過多的cpu資源，車載無線電控制單元中dsp從fpga讀數(shù)據(jù)時(shí)不采納查詢方式，而采納外部中斷來接收數(shù)據(jù)。將dsp的16bits數(shù)據(jù)線與fpga銜接，dsp的xint1也銜接到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0x0020000x004000，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)的硬件銜接框圖如下

10、：圖5車載無線電傳輸單元dsp控制器從fpga收發(fā)器讀數(shù)據(jù)的硬件銜接暗示圖因?yàn)閒pga傳送到dsp的一幀數(shù)據(jù)為72bits，因此通過16bits數(shù)據(jù)線傳輸需要分5次才干傳送完，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)來自定位單元完整的一幀數(shù)據(jù)為0x02123456789abcde03，車載無線電單元通過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

11、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)，便可以推斷一幀數(shù)據(jù)的開頭（若在用戶數(shù)據(jù)和校驗(yàn)值中存在0x02則要舉行相應(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通信雙方的原理圖按照以上對(duì)同步485實(shí)現(xiàn)辦法的描述，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7所示。圖7同步數(shù)據(jù)發(fā)送方原理圖圖7中，addr

12、_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）挺直來自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)由車載無線電控制單元提供。輸出的dataout及uefout經(jīng)過輸出緩沖及差分電平轉(zhuǎn)換后送給車載無線電控制單元。車載無線電控制單元同步數(shù)據(jù)接收方的原理圖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)生無線電哀求信號(hào);rec485data用于串行接收定位信息并通過dataconvert模塊轉(zhuǎn)發(fā)到通信控制器。其中，dataout（15:0）挺直通過數(shù)據(jù)線連到dsp，xint1則連到dsp的外