基于DSP的激光跟蹤儀數據通信及處理模塊設計

章文娟 ，王中宇 ，周維虎 ，王亞偉

（1.北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191；2.中國科學院光電研究院，北京 100094)

便攜式、多功能精密激光跟蹤測量系統可用于超大尺寸空間幾何測量，它具有測量功能多(三維坐標、尺 寸 、 形 狀 、 位 置 )、測 量 精 度 高 (±5 μm/m)、 測 量 速度快(動態測量、采點速率＞1 000點/s)、量程大(半徑 35 m)、可現場測量(便攜)等特點。測量效率比傳統的大型CMM、經緯儀測量系統和攝影測量系統等提高數倍[1]。

數據通信及處理模塊屬于激光跟蹤儀電控系統，電控系統的作用是系統數據交換和實時控制。

本文主要介紹激光跟蹤儀電控箱中數據通信及處理模塊的設計。選用 TI公司的浮點型 DSP TMS320F28335(以下簡稱 F28335)做主控芯片，硬件協議棧芯片W5300用于實現TCP/IP通信。

1 模塊功能及總體設計

數據通信及處理模塊是電控系統的重要組成部分，完成數據通信、誤差補償及斷光續接等功能。數據通信包括與上位機的TCP/IP通信以及與電控系統主控板的數據通信。圖1為數據通信及處理模塊的功能示意圖。

圖1 數據通信及處理模塊功能示意圖

激光跟蹤儀數據通信及處理模塊的組成結構如圖2所示。模塊主要由F28335及其附屬電路、TCP/IP通信模塊以及與主控計算機接口電路組成。F28335作為主控芯片控制W5300與上位機的TCP/IP通信；與主控板的數據交換是利用雙口RAM實現存儲器共享；外擴SRAM用于數據緩存；EEPROM保存誤差補償參數，在程序運行過程中可對其進行讀出和修改操作。

圖2 數據通信及處理模塊設計框圖

2 模塊實現

2.1 TCP/IP通信的實現

2.1.1 W5300簡介

W5300是WIZnet公司開發的具有內部硬件協議棧的網絡接口芯片，利用該芯片可大大減小硬件接口設計和網絡編程的工作量，實現可靠穩定運行的遠程數據通信系統，可廣泛應用于各種安全檢測、電力系統的測量監控、音視頻傳輸、遠程信息傳輸等領域[2]。本項目選用WIZnet公司的TCP/IP硬件協議棧芯片W5300實現TCP/IP通信功能。

W5300的以下特點使其易于實現與Internet連接[3]：

(1)W5300內部集成10/100 M以太網控制器、MAC和TCP/IP協議棧；

(2)W5300使用方便、穩定可靠，廣泛應用于高性能、低成本的Internet嵌入式領域；

(3)W5300與主機(MCU)采用總線接口，通過直接訪問方式或間接訪問方式，W5300可以很容易地與主機接口，就像訪問SRAM存儲器；

(4)W5300的通信數據可以通過每個端口的TX/RX FIFO寄存器訪問。

2.1.2 W5300硬件設計

將W5300配置為16 bit數據總線寬度，選擇內部以太網PHY，選擇以太網自動握手模式。W5300與主機接口模式采用直接地址模式。F28335與W5300之間連線有16 bit的數據線和 10 bit地址線，以及/WR、/RD、/CS、/INT、/RST控制線。初始化硬件時，W5300的各個寄存器和地址映射到F28335的zone6區。TMS320F28335與W5300的硬件接口如圖3所示。

圖3 W5300與TMS32DF28335連線圖

2.1.3 W5300軟件設計

F28335控制W5300與上位機的TCP/IP通信。此模塊設置為服務器模式，等待上位機發送的連接請求。

主機獲取W5300的狀態有兩種方式，分別為中斷方式和查詢端口狀態寄存器的方式。中斷方式可以節省系統資源，在大多數情況下選用這種方式。使用中斷方式時，需要注意GPIO口鑒定選擇寄存器(GPxQSEL)和鑒定控制寄存器(GPxCTRL)中的QUARPRD位的配置，這兩個寄存器分別配置鑒定需要的采樣次數和采樣間隔。若采樣次數或間隔被配置得過大，可能導致主機無法采集到W5300發送的中斷信號。

2.2 與電控系統主控板的通信

數據通信及處理模塊與電控系統主控板的通信利用雙口RAM，使它們共享這一段存儲空間。雙口RAM可以用于多處理器接口技術的實現[4]。主控板將采集的數據存入這段RAM中，數據通信及處理模塊從中讀回數據進行處理，并根據處理結果執行相應的操作。

與主控電路板的接口采用自定義總線接口：8 bit數據線，8 bit地址線，1 kHz同步時鐘，讀使能，寫使能，片選信號，地線。

將雙口RAM通過兩片雙電壓轉換芯片(16t245)接到F28335的外部擴展接口(XINTF)zone0。需要注意的是，16t245上控制同步時鐘的輸出使能引腳(/OE)要一直接地，使能同步時鐘信號輸出，若與其他接口信號一樣將輸出使能引腳接在片選信號上，會導致F28335無法識別同步時鐘信號。

2.3 誤差補償及誤差補償參數的載入

2.3.1 誤差補償

電控系統主控板采集的數據主要包括大氣參數、激光干涉測距(IFM)、激光絕對測距(ADM)、方位角和俯仰角。結合激光跟蹤測量系統的內部設備選型和幾何結構，整個激光跟蹤系統的誤差可分為測距誤差和測角誤差兩大類。在影響激光跟蹤儀測量精度的因素中，測角誤差最為顯著，而跟蹤儀部件之間幾何位置不正確則是測角誤差的重要來源[5]。

對采集的數據進行誤差補償需要依照一定的流程進行。首先補償大氣參數，然后補償IFM測量距離和ADM測量距離，最后補償方位角和俯仰角。影響測量數據的誤差來源如表1所示。

表1 誤差來源類別

2.3.2 誤差補償參數的載入

誤差補償參數是誤差補償算法表達式中引入的一系列參數，將其載入外擴EEPROM中。EEPROM中的內容掉電不丟失，且在程序運行過程中可以對其進行讀寫操作，滿足此模塊對誤差補償參數載入的要求。F28335通過I2C總線與EEPROM連接。

2.4 斷光續接

在激光跟蹤儀操作過程中，由于采用跟蹤球實現測量，丟光和擋光會造成斷光現象，斷光時，ADM和IFM均沒有輸出，從而造成測量中斷。當系統恢復跟蹤后，ADM可以很快恢復距離輸出，IFM也可以恢復工作，但后者輸出的距離值實際上不正確，需要對激光干涉設置初始距離。跟蹤頭控制單元需要根據一定的判據輸出清零脈沖，將IFM當前距離值清零，同時將ADM輸出值賦予IFM，作為干涉測距的起始距離，使IFM恢復正常的距離輸出。

數據通信及處理模塊的斷光續接功能就是要在確定恢復跟蹤后，對ADM測得的距離進行誤差補償，用ADM測距值代替IFM測距的基準距離以進行后續測量。

3 模塊控制程序流程

模塊的嵌入式程序存儲在主控制芯片F28335中。為了能夠與主控板實時交換數據，通過1 kHz同步時鐘的上升沿和下降沿觸發外部中斷4、5。為了避免W5300產生的外部中斷與外部中斷4、5沖突，將F28335獲取W5300狀態的方式設為查詢端口狀態寄存器的方式，運行外部中斷4中斷服務程序時進行查詢。外部中斷4的服務程序包含與主控板的數據通信以及與上位機的TCP/IP網絡通信；外部中斷5的中斷服務程序包含對跟蹤頭測得數據的誤差補償和協助跟蹤頭實現斷光續接功能。在程序初始化部分載入EEPROM中的誤差補償參數。在程序運行中，若檢測到上位機載入現場校準參數的命令，則禁止外部中斷4、5，將從上位機讀入的參數寫入EEPROM中。嵌入式軟件的流程圖如圖4所示。

圖4 模塊嵌入式軟件流程圖

本文介紹了激光跟蹤儀數據通信及處理模塊的軟硬件設計，其中，與上位機的TCP/IP通信以及利用雙口RAM實現與電控系統主控板的數據通信，已經通過實驗證明了其正確性，以期對研究與開發精密測量儀器系統提供參考。

[1]張春富，張軍，唐文彥，等.激光跟蹤儀在大尺寸工件幾何參數測量中的應用[J].工具技術，2002(5)：26-27.

[2]鄒依依，郭燦新，黃成軍，等.W5100在DSP遠程以太網數據通信系統中的應用 [J].工業控制計算機，2008，21(8)：20.

[3]WIZnet Co.，High-performance internet connectivity solution W5300 version 1.1.1[R].2008.

[4]MORRISON S B， GIBSON JR.High speed data acquisition system with a dual port RAM microprocessor interface [J].Microprocessors and Microsystems， 1991：155-159.

[5]周維虎，費業泰，李百源，等.激光跟蹤儀幾何誤差修正[J].儀器儀表學報，2002，23(1)：56.