1、引言

三坐標測量機做為一種高精度測量儀器，在機械工業、汽車工業、航空航天等領域具有廣泛的應用。本套通訊系統采用FPGA為主要通訊芯片，使用FPGA實現各通訊模塊對數據的收發，配合單片機對數據進行編碼、解碼、重封裝，實現了計算機和控制系統的通訊；由于FPGA程序的并行執行結構和高的執行速度，因此大大保證了數據傳輸的準確性和快速性。

2、通訊模塊的實現

2.1 計算機與橋接卡的通訊

本系統采用RS232總線實現計算機和橋接卡之間的通訊。計算機發送的數據，經過RS232總線傳輸到橋接卡，通過MAX3232芯片實現電平轉換。FPGA檢測到起始位后接收數據，接收完數據后，將其存于UART接收FIFO[2]中；待接收到結束位時，FPGA產生中斷信號，觸發單片機讀取接收FIFO中的數據并對其解碼，判斷數據中的目的地址，根據目的地址決定是否處理或發送到控制板；橋接卡與計算機通訊時，首先將數據進行編碼，然后將數據置于發送FIFO中，啟動發送模塊，發送模塊自動將數據發出，數據經MAX3232發送到總線上等待計算機的接收。

(1)串口發送模塊的FPGA實現

串口發送模塊從發送FIFO讀出數據后，根據串口通信協議，數據在向外發送時，低位在前，高位在后，所以將八位的數據重新進行編輯：前加停止位‘1’，后加起始位‘0’，變為十位數據包，將十位數據按照設置波特率逐位發送即可，使用Modelsim進行仿真，仿真圖見圖1（data位要發送的數據，tx為發送線）

(2)串口接收模塊的FPGA實現

總線空閑時當檢測到由高到低變化時,表明數據開始傳輸，接收模塊準備接收數據，接收數據時低位在前，高位在后，當接收到起始位后，每隔一個數據傳輸周期接收一次數據，待接收到八位數據后將數據置于接收FIFO中，使用Modelsim進行對發送模塊仿真見圖2（rxBuf為接收到的數據，低位在前，高位在后）：

2.2 橋接卡與控制卡及控制卡之間的通訊

由于橋接卡需要和多個控制卡進行信息的交換，且不同的控制卡之間也需要數據傳輸，因此在進行總線選擇時，必須保證各個器件都具有主控的權利，可以占用總線，本系統中橋接卡和控制卡及控制卡之間采用I2C[3][4]總線進行通訊。

I2C總線是一種兩線式串行雙向總線，是多主控的總線，由時鐘線和數據線構成，數據傳輸時，時鐘信號由主控器件產生。當SCL為高電平時，SDA出現由高電平到低電平變化，表明開始傳送數據；當SCL為高電平時，SDA出現低電平到高電平變化，表示數據傳送結束；接收方收到數據后，需向發送方發出應答信號；為了防止總線上數據沖突，總線有仲裁機制，當總線同時被多個發送方占用時，首先出現高電平的發送方被仲裁掉，因此，最長低電平周期的器件占用總線，成為主控器件；被仲裁掉的器件，放棄總線，改為接收。

使用FPGA實現I2C總線時，需要建立三個模塊：總線監視模塊，總線發送模塊，總線接收模塊。

①總線監視模塊[5]的實現

總線監視模塊用來為發送和接收模塊提供總線狀態，總線分為空閑、忙、等待三種狀態。當總線上沒有數據傳輸時，保持高電平，稱為空閑態；數據傳輸期間，總線為忙的狀態，如果主控方占用總線后沒有數據發送，則為等待狀態，如果總線等待時間超過設定時間，總線由等待轉為空閑態。發送、接收模塊需要得到的信號為起始信號、結束信號和狀態信號，由總線監視模塊實現這些信號。使用Modelsim進行仿真，得到波形如圖3：

②I2C發送模塊[6]的FPGA實現

發送模塊主要實現對數據的發送；首先發送地址，發送完地址后，等待應答信號，如果沒有響應，則放棄總線；如果出現響應，I2C發送模塊輸出RAM地址，讀取RAM的數據,依次發送數據，每發送完一個字節，等待響應信號，發送模塊根據RAM中的數據長度，將RAM數據讀完。為了防止多個主機同時占用總線，應根據仲裁機制將總線上的非主控方仲裁掉，禁止其繼續占用總線。為了防止總線傳輸中信號延遲，當向總線上發送下一數據時對總線上的狀態進行判斷，如果正確，再發送下一位數據。否則，放棄總線。使用Modelsim對I2C發送模塊進行仿真如圖4。

I2C_outScl：發送時鐘；I2C_inScl：檢測時鐘

I2C_outSda：發送數據；I2C_inSda：檢測數據

desAddr:目的地址；msgData：發送數據

RAM_Addr:RAM的地址信號。

③I2C接收模塊[7]的FPGA實現

接收模塊接收到總線監視模塊發送來的起始位信號后，準備接收總線上的數據，接收到的地址后，判斷接收到的地址和電路板地址是否一致；當兩者一致時，向總線置應答信號ACK,繼續接收下面的數據，收到的數據置于接收ＦＩＦＯ中；如果地址不一致，則放棄總線。使用Modelsim對I2C接收模塊進行仿真如圖4。

I2CbusIsBusy：總線狀態；I2C_start：起始信號

myAddr：電路板的地址； rxBuf：接收寄存器

rxFIFO_wr：接收FIFO的寫信號

3、通訊協議

上位機和橋接板之間采用RS232總線進行數據傳輸，橋接卡和控制卡以及各個控制卡之間采用I2C總線進行數據的傳輸，通訊采用主叫和應答方式,數據傳輸中使用單片機進行解碼[8]。

主叫方發出指令后，等待對方響應，如果主叫方寫指令到被叫方，則被叫方收到指令執行操作后返回確認信號；如果從主叫方讀指令，則被叫方在下一時刻占用總線后發送數據到主叫方，主叫方在0.5s內沒有收到響應包，表明傳輸失敗。若連續3次沒有響應，則與對方通信連接失敗。

為了實現數據的一致性，RS-232和Ｉ２Ｃ總線采用相同的通信協議。

數據傳輸時以“包”進行封裝，中間加入長度位和奇偶校驗位。封裝格式：起始字符+長度字符 +序列號+源地址+目的地址包類型+傳輸數據+包校驗+結束字符；數據傳輸均采用ASCII碼。

包的定義：起始位定義為‘#’，占用一個字節，接收方接收到‘#’時，表明數據開始傳輸；長度字符定義為除起始字符、結束字符和校驗字符的所有原始字符的長度，占用一個字節；源地址：發送方地址，占用一個字節；目的地址：接收方地址，占用一個字節，當為‘00’時，定義為廣播地址；包類型：占用一個字節，表明數據的類型，接收方根據包類型執行對應操作；傳輸數據：控制量的大小；包校驗：定義為長度字符，源地址，目的地址，包類型和數據之和，占用兩個字節；結束位：定義為‘~’，當接收方接收到結束字符時，表明本包傳輸結束,對數據包進行處理，長度位和校驗位正確時執行指令，否則，放棄改數據包。

4、實驗結果

使用該通訊系統實現和四控制卡之間的通訊控制，使用串口助手進行數據收發，在發送數據間隔為5us的情況下對該通訊系統進行測試，在進行8小時的測試中，系統沒有出現數據丟失、錯誤、死機現象；使用廣播地址進行數據發送，返回信號正確，沒出現死機現象。

使用該通訊系統對四個電機進行控制，電機實際輸出情況如表1：

本實驗數據證明了該通訊系統的可用性及數據傳輸的準確性。

使用該系統采用廣播地址實現四個電機同步聯動，各個軸的運動情況如表2：

本實驗數據證明了各個電機實現了指定的轉動角度；各個軸運動期間，電機的狀態經過I2C總線[9]及RS-232總線通訊系統成功的發送到了上位機，通訊系統沒有出現死機和數據丟失，經過該實驗，證明了數據傳輸的正確性。

4、結論

本系統采用FPGA進行通訊系統的設計，提高了數據的傳輸率和準確性，實現了對控制機構及時、快速的控制，有效防止突發事件的處理，經實驗證明，本系統快速、準確的實現了數據的傳輸，可以有效快速的實現對電機的速度、位置控制、準確的讀取電機的編碼器信號。