基于BISS C模式編碼器數據采集及顯示系統設計

王洪娟，邢柏強，劉 巖，關正坤

（首都航天機械公司，北京，100076）

基于BISS C模式編碼器數據采集及顯示系統設計

王洪娟，邢柏強，劉 巖，關正坤

（首都航天機械公司，北京，100076）

為得到正確的轉臺方位值和俯仰值，針對絕對式軸角柵編碼器設計了基于BISS C模式的編碼器數據采集及顯示系統。采用DSP+FPGA為核心的硬件結構，DSP通過GPIO實現編碼器數據的控制和數據接收并計算角度值；FPGA實現整體的邏輯控制及時序配置。BISS C模式編碼器數據采集及顯示系統能夠正確的采集圓光柵編碼器的角度值并將其顯示，與編碼器數據交換周期最高可達到40 μs，MA時鐘頻率最高10 MHz，數據延遲最大42.5 ns。試驗中數據交換周期為100 μs，MA時鐘2 MHz，MA高電平采集SLO數據，顯示頻率為50 Hz。試驗證明，系統接收及顯示數據正確，工作狀態穩定、良好。

BISS C模式；編碼器；數據采集

0 引 言

目前絕對式軸角編碼器是常用于光電跟蹤設備中的測角元件，用于測量跟蹤目標的方位值和俯仰值[1]。絕對式軸角編碼器采用串行接口與數據接收系統交換數據，數據格式為BISS C模式。針對絕對式軸角編碼器，設計了基于BISS C模式的編碼器采集及顯示系統（以下簡稱BISS C編碼器采顯系統）[2]。BISS C編碼器采顯系統可以廣泛應用于光電跟蹤設備中，實時與軸角編碼器進行數據交換[3]；采用FPGA＋DSP的模式對接收數據進行編譯和校驗并根據約定的數據格式將數據傳輸給其他分系統，同時以“度/分/秒”格式將測角值直觀顯示在液晶屏上，便于觀測和調試。BISS C編碼器采顯系統已在工程實踐中得到應用，數據采集穩定、顯示直觀。實踐證明：BISS C編碼器采顯系統可以正確地與編碼器進行數據交換并實時顯示目標的方位值和俯仰值，工作穩定，具有較強的工程實踐意義。

1 編碼器數據接收及顯示設計

1.1 系統設計

根據BISS C協議的內容，設計絕對式圓光柵編碼器數據接收及顯示板卡，采用DSP＋FPGA的硬件結構模式，編程實現與圓光柵之間的數據交換，對接收的二進制碼進行編譯和處理，以“度/分/秒”形式將目標的方位值和俯仰值顯示在液晶顯示屏上[4]。如圖1所示，BISS C編碼器采顯系統主要包括圓光柵編碼器、數據接收及顯示系統和1個觸摸式液晶顯示屏。

圖1 BISS C編碼器采顯系統整體結構

由圖1可知，BISS C編碼器采顯系統作為主設備，圓光柵編碼器作為從設備，主設備為從設備供電并提供位置采集請求和時序信息MA，從設備編碼器接收到MA信號后，向主設備提供與MA時鐘信號同步的位置采集數據SLO。另外，主設備還通過串行通訊接口，編程實現對液晶顯示屏的控制及數據輸出，實時在液晶顯示屏顯示目標的方位值和俯仰值[5]。

1.2 軟件設計

BISS C編碼器采顯系統的軟件設計分為FPGA程序設計和DSP程序設計2部分。FPGA主要實現邏輯控制、復位及中斷處理等功能；DSP主要實現編碼器數據的接收與處理及液晶顯示等功能[6]。圖2和圖3分別為FPGA和DSP的主程序流程示意。

圖2 FPGA程序流程

由圖2可知，FPGA程序先定義輸入、輸出信號，然后根據外部復位芯片MAX706的輸出為整個系統提供復位信號，由FPGA與DSP進行雙向數據交換，最快以40 μs為周期，將DSP發出的MA信息提供給編碼器，將編碼器按BISS C協議輸出的SLO數據提供給DSP[7]。另外，FPGA提供所有外圍芯片的邏輯控制信號并為DSP提供中斷信號。

圖3 DSP主程序流程

由3可知，DSP程序開始首先進行初始化，接著主程序開始，DSP按照中斷最快以40 μs為周期進行數據交換和處理，通過GPIO發送MA信息，在MA高電平期間接收SLO數據，寄存器存儲SLO數據并根據BISS C協議找到幀數據開始位置并置標志位，接著將接收到的二進制數據進行計算并轉換，以“度/分/秒”形式進行輸出并顯示在液晶顯示屏的相應位置。

2 試驗結果及分析

對BISS C編碼器采顯系統進行試驗，采用絕對式圓光柵編碼器采集轉臺的方位值和俯仰值并在液晶顯示屏上顯示角度值[8]。試驗原理如圖4所示。

圖4 數據接收及顯示試驗

試驗中，圓光柵編碼器安裝于可做方位和俯仰旋轉運動的轉臺上，數據接收及顯示板卡接收其輸出數據并顯示，二者之間最快以40 μs為周期進行數據交換。試驗中MA采用2 M的時鐘頻率，編碼器在有效時鐘高電平期間回復SLO數據。圖5給出了采用SignalTap工具采集的MA時鐘及SLO數據，根據BISS C協議對數據進行分析。

圖5 SignalTap采集BISS C協議數據示意

由圖5可知，數據段有36個有效數據，對于26位編碼器，根據BISS協議，數據位= 1位Start＋1位0＋26位Position＋1位Error＋1位Warn＋6位CRC = 36位數據，由圖5讀出的36位數據為“1|0|10000101001001101100000110|1|1|100101”。根據BISS協議可知：a）前2位“10”為起始位Start位和其后的0位，作為數據的幀頭；b）有效數據位為“10000101001001101100000110”（Position位）；c）其后2位“11”為Error位和Warn位；d）最后6位“100101”為CRC(6-bit)校驗位。

根據BISS協議，Error位“1”表示傳輸的位置信息已被讀數頭的內置安全校驗算法校驗；Warn位“1”表示光柵尺及讀數窗口清潔，說明編碼器此時的工作狀態良好。由上文可知SLO讀數的位置、錯誤及警告數據為x =“1000010100100110110000011011”，對其進行CRC多項式x6+x1+x0計算，得到的結果取低6位為“100101”，與采集數據得到的CRC校驗位相同，這樣說明采集的數據有效、正確。

BISS C編碼器采顯系統以50 Hz的頻率與液晶屏進行數據交換。圖6為液晶顯示屏示意圖。

圖6 液晶屏顯示方位和俯仰值示意

由圖6可知，編碼器數據接收及顯示板將接收到的SLO數據進行處理和計算后，通過串口芯片發送給液晶顯示系統，以“度/分/秒”的格式顯示方位值與俯仰值，數據刷新率為50 Hz。

3 結 論

BISS C編碼器采顯系統能夠正確地向編碼器提供位置采集請求和時序信息MA，采集編碼器以BISS C協議輸出的位置數據SLO，采用DSP＋FPGA的硬件結構對數據進行處理、計算和顯示，以“度/分/秒”的形式將角度值正確地顯示在液晶顯示屏上。系統與編碼器之間數據交換周期最高可達到40 μs，MA時鐘頻率最高為10 MHz，數據延遲最大為42.5 ns。試驗證明系統工作狀態穩定、良好，角度數據顯示正確。

[1] 趙長海, 萬秋華, 王樹潔, 盧新然. 21位光電編碼器數據處理系統[J].電子測量與儀器學報, 2010,24(6): 569-573.

[2] 盧新然, 萬秋華, 杜穎財, 趙長海. 星載高精度小型多圈絕對式編碼器設計[J]. 電子測量與儀器學報, 2010,24(9): 848-852.

[3] 鄧方, 陳杰, 陳文頡, 等. 一種高精度的光電編碼器檢測方法及其裝置[J]. 北京理工大學學報: 自然科學版, 2007,27(11): 977-980.

[4] Mancini D, Cascone E，Schipani P. Galileo high-resolution encoder system[J]. 3112:328-334.

[5] 熊文卓, 孔智勇, 張煒. 光電軸角編碼器光電信號正交性偏差的向量校正方法[J]. 光學精密工程, 2007,5(11): 1745-1748.

[6] 劉豐文, 鄧文和. 25位絕對式編碼器[J]. 光電工程, 2000,27(6): 66-68.

[7] 常春, 胡瑜, 董彬. 光電旋轉編碼器的研究與應用[J]. 儀表技術與傳感器, 2001(12): 34-35.

[8] 肖鯤, 王莉娜. 基于FPGA的BISS協議光電編碼器通信模塊設計[J].電子測量技術, 2008,31(7): 188-191.

Based on BISS C Mode Encoder Data Acquisition and Display System Design

Wang Hong-juan, Xing Bai-qiang, Liu Yan, Guan Zheng-kun
(Capital Aerospace Machinery Corporation, Beijing, 100076)

To achieve the correct azimuth code and pitch code of the rotating platform, the BISS C mode encoder data acquisition and display system is designed. The DSP+FPGA hardware structure is applied, through the GPIO of DSP, the encoder data control and acquisition are realized. The BISS C mode encoder data acquisition and display system can achieve the angle value of the circular grating encoder and display the value on the LCD correctly. The data exchange rate can be up to 40μs one time, MA clock frequency can be up to 10 MHz, and max data delay is 42.5 ns. In the experiment, the data exchange period is 100 μs one time, MA clock frequency is 2 MHz, SLO data is achieved when MA high level, and the data display frequency is 50 Hz. The experiment shows that the system can achieve and display the encoder data correctly, the work status is stable and good.

BISS C; Encoder; Data acquisition

TP212

A

1004-7182(2016)04-0099-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160425

2015-05-13；

2015-07-30

王洪娟（1977-），女，工程師，主要研究方向為液壓氣動系統工藝流程設計