一種基于FPGA的BiSS編碼器解碼器設計

李紹軍 陳國勝 范俊玲 夏偉光 王國右

摘？要：BiSS協議是一種高速同步串行通信協議，使用BiSS協議的編碼器有利于提高伺服控制系統的動態性能，在高精度絕對式編碼器中應用廣泛。本文在分析BiSS協議數據幀特點的基礎上，利用FPGA設計了BiSS協議編碼器解碼器，采集了BiSS協議編碼器位置數據和總線波形，通過與DSP聯合使用，基于BiSS協議編碼器對永磁同步電機的動態性能進行了驗證，結果表明該設計的合理性。

關鍵詞：BiSS；FPGA；編碼器；DSP

0 引言

BiSS協議是一種時鐘頻率高達10 MHz的串行通信協議，物理上采用RS422差分總線方式，使用BiSS通信協議的光電編碼器具有數據線占用少、抗干擾性強、通信速率快等優點，在機器人、數控機床、雷達轉臺等領域應用廣泛[1-2]。

一些新型微控制器已經具備了物理上支持BiSS通信協議的外設接口，如Infineon公司的XMC4000系列使用SPI接口可完成BiSS協議解碼功能[3]，但當進行伺服電機控制時需要CPU在執行FOC算法的基礎上實時通過較復雜的軟件實現BiSS協議解碼，增加了CPU的負擔；TI公司的TMS320F3837x系列使用CLB模塊配合SPI外設接口實現對BiSS協議的解碼[4]，可以減輕CPU的負擔，但CLB外設數量有限。且這些方式均難以達到BiSS協議最高時鐘頻率，綜合比較使用FPGA解碼可降低CPU負擔同時可充分發揮BiSS協議時鐘頻率高的優點。

文中針對BiSS協議數據幀格式，設計了BiSS協議解碼器狀態機和CRC校驗器，并使用Moldisim對校驗過程進行仿真，FPGA將解碼數據發送給DSP，通過驅動永磁同步電機對該設計的解碼效果進行了驗證。

1 解碼器硬件設計

1.1 BiSS協議分析

旋轉編碼器是伺服電機常用的一種位置傳感器，常見外部接口形式有RS422、SSI、BiSS等。使用RS422或者SSI接口時時鐘頻率一般低于1 MHz，且受限于總線協議單幀傳輸位數限制，當需要傳輸的位置數據位數較多時會導致編碼器位置采樣頻率偏低。另一種常見位置傳感器是旋轉變壓器，隨著技術的不斷發展，當前旋轉編碼器更容易實現比旋轉變壓器更高的分辨率，而BiSS協議由于時鐘頻率高，傳輸位數多，可以輕松實現對位置數據20 kHz的采樣頻率，因此使用BiSS協議的旋轉編碼器十分適用于動態性能要求高的伺服控制領域。

BiSS協議最初由德國IC-Haus公司提出，是一種較為新型的開放式同步串行通信總線協議，在提出后很快開發出BiSS-B協議并得到廣泛應用，后由于海德漢公司對BiSS-B協議的專利訴求，導致很多編碼器廠商聯合開發出BiSS-C協議[5-6]。

根據工作模式，BiSS協議可分為傳感器模式和寄存器模式，寄存器模式便于使用者掌握更多編碼器狀態信息，傳感器模式與寄存器模式相比傳輸信息少，因此具有更高的位置采樣頻率。圖1所示為亨士樂公司BiSS-B協議編碼器時序和雷尼紹公司BiSS-C協議編碼器時序對比圖，見文獻[7-8]。

由圖中可見，BiSS-B和BiSS-C協議高度相似，均由2條信號線構成，其中一條為時鐘線，另一條為數據線。數據線上均有Ack位、Start位、位置數據位、error位、Warn位、CRC校驗位和Timeout位；不同點在于BiSS-C協議在Start位和位置數據位間還有額外的1 bit 0位。

文中就BiSS-B協議的旋轉編碼器傳感器模式展開討論。

1.2 硬件電路設計

電機控制模塊采用DSP+FPGA雙控制器方式，FPGA負責采集與永磁同步電機同軸安裝的BiSS編碼器位置數據，提供給DSP用于FOC算法計算。FPGA通過內部定時器定時執行BiSS數據解碼周期，每個周期內BiSS時序解碼模塊產生BiSS總線MA時鐘，直到該幀數據時序完成，同時接收BiSS總線SLO數據線數據，根據BiSS時序定義從中提取出有用的位置、錯誤位、警告位、CRC校驗位數據段送至CRC校驗模塊進行處理，根據BiSS編碼器的時序長度可以靈活調整定時器采樣頻率，以實現最大采樣頻率。CRC校驗模塊按照協議規定的校驗規則計算出收到有效數據位所對應的CRC校驗碼，并與收到數據中的CRC校驗位段進行對比，若兩者一致則判斷該幀數據校驗正確，為有效數據，并將經過校驗的正確數據存入FPGA內RAM單元，DSP通過XINTF接口定時從FPGA內部RAM讀取解析到的編碼器位置數據，完成BiSS-B協議編碼器數據解碼；若兩者不一致則判斷校驗錯誤，將該幀數據丟棄，并對錯誤次數進行計數，連續數次檢驗到錯誤數據則發出報警信號觸發DSP啟動保護措施，防止電機飛車。

硬件電路框圖如圖2所示。

BiSS-B協議編碼器物理接口為RS422電平標準，使用TI公司的高速全雙工RS485收發器SN65HVD77將FPGA的MA時鐘信號和SLO數據信號將電平轉換為兩組差分信號線，連接至BiSS協議編碼器。該收發器支持信號傳輸速率>50 Mbit/s，可涵蓋BiSS協議最高傳輸速率。接口電路圖如圖3所示。

解碼器軟件設計

軟件設計主要涉及通過FPGA完成對BiSS-B協議數據幀的解碼以及對解碼結果的校驗，以下從狀態機設計和CRC校驗器設計兩方面進行介紹。文中編碼器使用亨士樂公司的AD36-1213AF.0RBI型多圈絕對式編碼器。

2.1 狀態機設計

BiSS-B協議時序具有數據幀長度不固定、數據幀信息復雜的特點，狀態機是FPGA設計中常用的一種設計方法，基于狀態機的設計可大大提高設計的靈活性和通用性，因此文中設計了基于狀態機的BiSS-B協議時序解碼模塊。

根據圖1中BiSS-B協議時序，FPGA作為主設備，BiSS編碼器作為從設備，FPGA解碼模塊初始狀態為超時狀態，應將時鐘線MA狀態拉高，并確認數據線SLO狀態為常高。當超時狀態準備就緒后，通過將時鐘線MA狀態拉低1個時鐘啟動1次BiSS協議編碼器數據轉換，并將狀態機狀態切換為空閑狀態，等待數據線SLO上從設備應答響應。正常情況下從設備將數據線SLO狀態拉低一段時間，狀態機將轉入應答狀態。待從設備將數據線SLO狀態再次拉高時，狀態機轉入開始狀態，并檢測SLO高狀態時長，若時長為1個MA時鐘則轉入讀取狀態，否則將回到初始超時狀態。在讀取狀態中，將對數據線SLO上的數據進行讀取，直到數據位數達到時序協議中規定的位數，然后將時鐘線MA狀態拉高轉入超時狀態，等待開始下一次循環。整個流程如圖4所示。

2.2 CRC校驗模塊設計

CRC校驗全稱為循環冗余校驗，是一種常用于檢測通信協議或存儲設備中原始數據是否發生數據位意外變動的錯誤檢測算法[9]。其基本思想是對實際有用數據位按照一定的計算方法提取出對應的唯一一組特征值，將特征值附加在有用數據后發送至數據接收端，接收端將讀取到的數據按照同樣的計算方法得到一組特征值，若兩組特征值一致則表示讀取數據有效。

CRC校驗模塊輸入數據從最高位開始逐位與CRC校驗結果字段最高位bit5進行異或運算，異或結果作為CRC校驗結果字段的最低位bit0，并同時與bit0異或，其結果作為bit1，其他bit位依次為低1 bit位移位結果。

按照上述方式，應對AD36-1213AF.0RBI型編碼器的位置數據位、error位、Warn位和CRC校驗位進行CRC校驗，并將校驗結果與CRC校驗位進行對比。使用Modelsim對CRC校驗模塊設計的合理性進行驗證。驗證結果如圖6所示。

在圖6中，I_Rx_Data為33位經BiSS時序解碼模塊提取的數據，CRC_Result為CRC校驗結果，連續3組CRC校驗結果和對應的三組輸入數據末6位CRC位一致，表明CRC校驗正確。

3 實驗驗證

以EP4CE30型FPGA和TMS320F28335型DSP構成的硬件電路為基礎，對BiSS-B編碼器數據進行了采集解析，圖7所示為FPGA端BiSS-B編碼器數據時序監測結果，通道1為MA時鐘線波形，頻率為5 MHz，通道2為SLO數據線波形，由圖中可見完成1次數據解析時間約30 μs，可滿足至少20 kHz的編碼器數據采樣速率。

電機驅動模塊速度環給定轉速為1 000 r/m，連續采樣多個周期的AD36-1213AF.0RBI型編碼器未經濾波處理的原始數據并解析出對應單圈和多圈位置數據，如圖8所示。

編碼器單圈/多圈數據值分布情況如表1為所示。依據多個連續周期里編碼器數據計算出的平均轉速與給定轉速差異較小，可知編碼器數據值采樣正確，一致性較好。

采集速度環反饋轉速響應曲線，如圖9所示。由圖中可見，使用BiSS編碼器作為位置傳感器時電機速度環響應較快，超調量小于8%，穩態誤差小于0.6%，具有較好的動態和穩態性能。驗證了該BiSS解碼器設計的合理性。

4 結束語

通過對BiSS協議的分析基礎上，文中提出了BiSS協議編碼器解碼方案，通過實物試驗驗證了該方案的合理性，具有解析準確、采樣速度快的特點，對不同的BiSS協議具有適用性，適合應用于BiSS協議編碼器數據解析場合中。

參考文獻：

[1] 王列虎，皮佑國.基于BISS協議的編碼器接口技術研究及應用[J].機床與液壓，2011，39（8）：121.

[2] 王希遠，成榮，朱煜，等.基于FPGA的BiSS-C協議編碼器接口技術研究及解碼實現[J].液晶與顯示，2016，31（4）：386.

[3] 孫彥超.基于XMC4500的PMSM控制系統的設計[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2016.

[4] Texas Instruments Incorporated.TMS320F2837xD Dual-Core Defiino Microcontrollers Technical Reference Manual[R/OL].https：//www.ti.com.cn/product/cn/TMS320F2 8379D？keyMatch=TMS320F2837&tisearch=Search-CNeverything.

[5] 商懷昊，韓基鵬，肖鵬，等.基于BiSS-C協議的編碼器的接口技術研究及其在伺服驅動系統中的應用[J].工業技術創新，2014，1（2）：211.

[6] 霍海龍.基于BiSS協議的編碼器及其在伺服驅動系統中的應用[J].電氣自動化，2011，33（3）：12.

[7] HENGSTLER.Technical Manual SSI_BiSS_ACURO_ en[R/OL].http：//hengstler.com.cn/product/AD36.

[8] RENISHAW.biss_encoder_9709-9007-03-b（zh）[R/ OL].https：//www.renishaw.com.cn/zh/resolute-encoderseries--37823

[9] 朱正鵬，朱旭鋒，李賓，等.一種位寬可變的CRC校驗算法及硬件實現[J].航天控制，2019，37（2）：42.