蔡吳磊，梁顯榮，趙云峰，晉 剛

(聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，華南理工大學，廣東廣州 510640)

0 引言

旋轉流變儀因其適用范圍廣、測量精度高等優(yōu)點而被廣泛應用于流體研究，其測量原理為通過一對相對旋轉的測量幾何向樣品施加特定的應力或應變信號，依據(jù)樣品產生的應變或應力響應，從而獲取樣品的流變特性[1]。為了提高自主開發(fā)的旋轉流變儀測控系統(tǒng)精度，實現(xiàn)聚合物材料流變特性的準確測量，故選用絕對式圓光柵完成內外筒驅動電機的閉環(huán)控制。

絕對式圓光柵利用碼盤編碼確定機械位置，無需“歸零”操作即可完成位置讀取與控制，具備優(yōu)異的抗干擾性及可靠性[2]。由于輸出的位置信息精度高、位數(shù)多，并且還要遵循一定的通訊協(xié)議，光柵輸出的數(shù)據(jù)量大而復雜，因而數(shù)據(jù)的傳輸速度及其穩(wěn)定性是影響應用性能的關鍵因素[3]。

針對該問題，BiSS(bidirectional synchronous serial)協(xié)議可以作為解決方案。該協(xié)議是開放式同步串行協(xié)議，使用該協(xié)議通信波特率可達到10 Mbps，超出同類通信協(xié)議的4倍以上[4]。此外，BiSS-C是BiSS協(xié)議最新的版本，該協(xié)議可自由調整總線連接方式、報警位、協(xié)議長度，并可進行延時補償，工業(yè)應用靈活，無協(xié)議產權成本，通信傳輸安全可靠[5]。

目前最常用的BiSS協(xié)議解碼是通過BiSS Master芯片實現(xiàn)，但官方解碼芯片的數(shù)據(jù)處理方式單一，難以進行接口模塊的功能拓展，因而無法滿足旋轉流變儀測控系統(tǒng)的整體控制要求[6]。因此，本文基于Compact RIO嵌入式平臺設計BiSS協(xié)議解碼方案，并加入CRC校驗模塊以實現(xiàn)解碼檢錯及糾錯功能。

本文首先對BiSS-C協(xié)議進行介紹，其次闡述了通信接口的硬件、軟件設計，最后在絕對式圓光柵上完成了實驗測試并說明了接口的準確性及可靠性。

1 BiSS-C協(xié)議簡介

1.1 BiSS-C連接方式

BiSS-C協(xié)議是一種新型的可自由使用的開放式同步串行通信協(xié)議，其連接方式分為點對點(point to point)模式和總線(bus)模式2種[7]。

在點對點模式中，主控接口只連接1個設備，該設備可配有1個或多個從接口(Slave)。主控接口通過MA信號線向從接口提供時鐘信號，從接口通過SL信號線由第1個從接口(First Slave)直接向主控接口傳送傳感器數(shù)據(jù)。在點對點模式中，BiSS-C接口與SSI接口硬件兼容，最后一個從接口(Last Slave)的輸入信號SLI為“0”，其結構如圖1所示。

在總線模式中，設備的連接呈首尾鏈狀結構，每個設備還可包含多個從接口。因此每個從接口都有2個端子，即SLI和SLO，分別負責前端信號接收和后端信號發(fā)射。每個從接口向后端發(fā)送數(shù)據(jù)時，自身數(shù)據(jù)的優(yōu)先級是最高的，而從前端接收的數(shù)據(jù)則放置在發(fā)送隊列末尾。在總線模式中，BiSS-C主控接口連接的從接口數(shù)量是不受限制的，并且可通過MA信號線向所有從接口提供時鐘脈沖，其結構如圖2所示。

1.2 BiSS協(xié)議的數(shù)據(jù)通信

BiSS協(xié)議存在2種工作模式，分別為傳感器模式(sensor mode)和寄存器模式(register mode)。當只需要獲取傳感器測量數(shù)據(jù)時，使用沒有寄存器通信的單向BiSS-C(BiSS-C unidirectional)協(xié)議版本，可極大提高數(shù)據(jù)獲取速度[8]。

圖3為點對點模式的時序圖。BiSS幀由產生時鐘MA(master clock)信號的主機啟動，MA的第1個上升沿用于所有從接口的同步，以此確保傳感器數(shù)據(jù)的等時掃描和執(zhí)行器數(shù)據(jù)的等時輸出。在MA的第2個上升沿，所有的從接口生成“Ack”(acknowledge)信號，該狀態(tài)持續(xù)至開始(Start)位出現(xiàn)。每個從接口的開始位都以時鐘MA為同步標準，持續(xù)1個時鐘脈沖完成傳輸，而后緊隨CDS(control data slave)位，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶菑拈_始位后的第二位至最后的停止位。BiSS幀以BiSS超時(BiSS-timeout)完成終止判斷，主機不再向MA發(fā)送時鐘脈沖，此時MA的逆狀態(tài)為CDM(control data master)狀態(tài)位。

2 絕對式圓光柵讀頭通信接口電路設計

2.1 硬件平臺設計

實驗系統(tǒng)的架構如圖4所示。硬件系統(tǒng)基于CompactRIO 9038嵌入式平臺，選用NI 9401 I/O模塊采集并發(fā)送信號，并對RA32BAA052B30A絕對式圓光柵讀頭進行通信接口電路設計，最終在上位機用戶界面顯示采集的位置信息。該系統(tǒng)使用LabVIEW完成圖形化編程，其靈活性高、可移植性強，具備優(yōu)異的拓展能力。

CompactRIO集成了實時控制器(RT)、可重配置的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和熱插拔I/O模塊[9]。在信號處理的硬件電路中，光柵讀頭與CompactRIO平臺通過DB9接口實現(xiàn)連接，F(xiàn)PGA發(fā)出的MA時鐘脈沖通過NI 9401(發(fā)送)輸出給讀頭，同時返回的位置信號又通過NI 9401(接收)輸入至FPGA。該過程中，這2個I/O模塊分別負責將MA時鐘脈沖由TTL電平轉為差分信號，并將位置信號由差分信號轉為TTL電平。FPGA經過解碼校驗，通過PCI總線將數(shù)據(jù)傳輸至實時控制器，最終由實時控制器將數(shù)據(jù)傳輸至上位機實現(xiàn)位置顯示。

2.2 軟件模塊設計

絕對式圓光柵的數(shù)據(jù)格式如圖5所示[10]。

由圖5可知，在不工作時，時鐘MA和信號SLO都保持高電平；當主接口請求位置采集時，MA開始傳輸時鐘脈沖，此外光柵在MA第2個上升沿將SLO置低表示響應。結束“Ack”周期后，SLO生成一位“Start”高電平和一位“0”低電平，隨后開始傳輸32位的位置信息。緊接著出現(xiàn)一位“Error”和一位“Warn”，用于判斷位置數(shù)據(jù)是否可信，當兩者都處于高電平時，則代表數(shù)據(jù)校驗成功。之后的6位CRC碼提供檢錯及糾錯功能。CRC多項式為G(x)=x6+x1+x0，轉換為校驗碼元即為1000011。當數(shù)據(jù)傳輸結束后，主接口將MA設為高電平，此時光柵將SLO置低，表示進入超時周期。而當SLO再次設為高電平時，主接口開始下一次位置采集。實際上光柵每1 ms完成一次位置采集，而這1 ms是指兩個請求循環(huán)開始之間的時間，若數(shù)據(jù)傳輸時間小于1 ms，光柵則通過將SLO置低直至1 ms過去的方式再向主接口發(fā)送信號，這就是超時階段。

根據(jù)BiSS協(xié)議特點，基于CompactRIO硬件平臺，利用LabVIEW完成上位機、實時控制器、FPGA機箱的VI設計[11]。其中，F(xiàn)PGA VI是光柵通訊解碼程序的核心部分，按照功能進行模塊化可分為時鐘驅動模塊、解碼模塊和CRC校驗模塊，其中解碼模塊VI程序如圖6所示。

時鐘驅動模塊負責時鐘發(fā)送。由于光柵規(guī)定的MA時鐘速度為0.25～10 MHz，而NI 9401輸出脈沖在低于1 MHz時質量較好，因此利用FPGA完成程序設計，將CompactRIO機箱提供的40 MHz時鐘頻率降低至1 MHz，從而支持解碼模塊及CRC校驗模塊的使用。

解碼模塊通過狀態(tài)機實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，解碼模塊狀態(tài)機框圖如圖7所示[12]。狀態(tài)機在啟動或者復位之后，檢測光柵SLO是否處于空閑(idle)狀態(tài)，并就此進入等待狀態(tài)。若檢測到空閑狀態(tài)，則開始發(fā)送MA時鐘脈沖。此時，SLO從高電平轉為低電平，狀態(tài)機進入“Ack”應答狀態(tài)；隨后SLO出現(xiàn)2次電平轉換，狀態(tài)機依次進入“Start”和“0”工作狀態(tài)。若在運行過程中未檢測到該工作時序或檢測超時，狀態(tài)機直接進入超時狀態(tài)，結束超時等待后再次開始工作循環(huán)；若檢測通過，則進入接收狀態(tài)，完成接下來32位位置信息、2位檢測信號和6位CRC校驗碼的接收。等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，狀態(tài)機停止MA時鐘脈沖進入超時狀態(tài)，等待下一次位置采集循環(huán)。

CRC校驗模塊負責接收數(shù)據(jù)的差錯校驗[13]。解碼模塊首先將32位位置信號及2位檢測信號進行拓展，拓展位數(shù)比CRC多項式少1位且全部置零。然后以CRC校驗碼元“1000011”作為除數(shù)，完成與40位拓展數(shù)據(jù)的除法運算，而其中用到的減運算全部變?yōu)閄OR(異或)運算。之后將得到的6位余數(shù)作為CRC碼，加至原始數(shù)據(jù)之后完成數(shù)據(jù)發(fā)送。接收端將接收的40位數(shù)據(jù)除以CRC校驗碼元，若計算得到的余數(shù)為0，說明數(shù)據(jù)接收正確，并將數(shù)據(jù)輸出至上位機；若余數(shù)不為0，則輸出前一次的正確值，同時發(fā)送“Error”信號至上位機并記錄出錯個數(shù)。

2.3 實際測試結果

按以上設計進行光柵的位置讀取實驗。通過示波器檢測并顯示通信信號，如圖8所示。并將實驗檢測波形與理論波形進行對比。由圖8可以看出，測得的MA時鐘信號、SLO數(shù)據(jù)信號與圖7所示的原理時序相吻合，說明了系統(tǒng)內部時序執(zhí)行正確。因此，基于CompactRIO的BiSS-C協(xié)議接口設計可正常實現(xiàn)光柵的位置數(shù)據(jù)解碼及傳輸。

3 實驗對比及分析

為了驗證基于CompactRIO平臺解碼的準確性，利用官方解碼芯片BiSS Master對流變儀外筒位置同時進行測量，并比較2組數(shù)據(jù)的一致性。實驗過程中，將外筒的1個旋轉周期均分為20個位置，在同一位置記錄下CompactRIO解碼與BiSS Master解碼獲得的讀數(shù)值，此后不斷旋轉外筒，得到多組數(shù)據(jù)。最后將所獲數(shù)據(jù)轉換為弧度制，然后以BiSS Master解碼得到的位置數(shù)據(jù)為橫坐標，CompactRIO解碼得到的位置數(shù)據(jù)為縱坐標，進行線性擬合，如圖9所示。

圖9中直線為線性擬合結果。實驗分析可知，擬合曲線得到的方程為y=x-1.015×10-6，其相關度R2為1，說明這2組數(shù)據(jù)完全線性相關。此外，截距誤差范圍為(-1.015×10-6±4.411×10-7)rad，據(jù)此可認為基于CompactRIO解碼與基于BiSS Master解碼得到的位置數(shù)據(jù)一致。

同時，為了驗證基于CompactRIO解碼的可靠性，即在測量過程中是否會出現(xiàn)跳動現(xiàn)象，針對以上每個位置進行20次重復讀數(shù)，并計算相應的標準偏差。實驗發(fā)現(xiàn)，位置讀數(shù)的標準偏差固定在1×10-6rad以下，說明基于CompactRIO解碼具備良好的穩(wěn)定性及可靠性。

4 結束語

本文根據(jù)自主開發(fā)的旋轉流變儀對于測控系統(tǒng)準確度要求，分析了絕對式圓光柵通過BiSS-C協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的特點，并針對測控系統(tǒng)的整體同步控制要求，選用CompactRIO嵌入式平臺完成光柵讀頭的通訊接口設計。該設計還采用LabVIEW圖形編程實現(xiàn)了上位機、實時控制器、FPGA機箱的VI設計。實驗結果表明，基于CompactRIO的BiSS-C協(xié)議接口設計可實現(xiàn)光柵的位置數(shù)據(jù)解碼及傳輸，其誤差控制在2×10-6rad之內，重復測量的標準偏差在1×10-6rad之內，可靠性及穩(wěn)定性完全滿足旋轉流變儀測控系統(tǒng)要求。同時該設計具有良好的移植性和拓展性，可適用于多編碼器的同步控制，結合位置控制器可實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制，是解決旋轉流變儀測控問題的理想方案。