一种基于FPGA的便携式SSI接口数据解析仪的制作方法

本发明涉及一种对各种ssi接口传感器进行现场数据解析的装置，属于分析及测量控制技术领域。

背景技术

在工业自动化领域，生产现场需要使用各种用于测量角度或位移的高精度传感器，如磁滞伸缩位移传感器分辨率为1um、重复精度为满量程的0.001％。这种高分辨率传感器数据需要远距离传输到工厂的plc系统，为保证分辨率至少需要二十位以上的数据宽度，如果采用并行数据输出形式，传输电缆芯数必须和数据位数相同，这不仅增加了安装成本，而且由于硬件的复杂化，会使传输数据的可靠性大为降低；如果采用d/a转换为4～20ma工业电流标准输出，会由于d/a转换的量化误差大大降低传感器精度。

ssi接口，就是为解决高精度数据传输而提出的，通过时钟、数据两个信号串行通信方式来传输数据，采用差分信号、接口隔离等方式提高抗干扰能力，可用于工业现场远距离通信场合。

专利申请号为201410637666.8的文献中给出了“用于ssi接口绝对值编码器数据通信的装置”，通过使用dsp芯片tms320lf2407内置的spi模块实现ssi接口数据通信，但其受限于dsp主频以及程序串行执行基本特性，ssi数据解析时间需要数百微秒，在很多高速应用场合会受到限制。

授权公告号为cn102968512b的文献中给出了“基于microblaze软核的多路ssi数据采集模块”，基于sopc(可编程片上系统)技术，利用fpga厂家提供的microblaze软核在fpga芯片内部实现了一个cpu，因此其并未脱离cpu+fpga的设计模式，依然受限于cpu主频以及程序串行执行基本特性，cpu和ssi模块之间存在通信瓶颈，ssi数据解析时间为数百微秒。

授权公告号为cn102023625b的文献中给出了“一种基于cpld/fpga的旋变编码器用ssi数据发送器”，基于cpld/fpga芯片，接收旋变编码器的并行和串行绝对式数据，将其转换为ssi数据格式，发送给监控中心，因此其属于ssi数据发送器，并非ssi数据解析仪。

在多篇文献中提出了ssi接口数据解析的设计方案，论文名称如下：

梁军,王移川.基于ssi接口的线位移传感器高速并行数据采集设计[j].测控技术,2012,31(5):53-54.

张凯,吴爱国,张第.基于ssi协议的高速运动参数测量接口设计[j].自动化与仪表,2012,32(7):54-57.

郭耀华,姚明林,张银蒲.基于fpga的ssi接口传感器通信系统[j].仪表技术与传感器,2010,47(11):108-110.

李振.一种ssi接口低成本实现方案[j].工业控制计算机,2011,24(1):61-62.

这些论文的ssi接口设计方案都不是由fpga独立实现，分别涉及到工控机、dsp芯片tms320f2812、fpga内部的nios软核、单片机stc12c1052，因此这些设计均存在ssi数据解析速度较慢的问题，无法应用于高速数据采集场合。

在实际工业生产环境中，具备ssi接口的高精度位移传感器需要和监控中心的plc系统远距离通信。当出现错误数据时，由于传感器和plc相距较远，传输电缆较长，并且生产现场电源供应有严格限制，因此要准确判断故障点位置比较困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服普通ssi接收器数据解析速度慢、设备现场移动困难、无法在各种生产环境灵活使用等问题，提供一种ssi数据处理速度快、可给工作环境传感器供电的便携式ssi接口数据解析仪。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于fpga的便携式ssi接口数据解析仪，包括锂电池组、低压差降压芯片、升压芯片、输出接口、差分接口芯片、fpga、显示模块；所述锂电池组分别为低压差降压芯片和升压芯片提供电源，所述低压差降压芯片分别与差分接口芯片、fpga、显示模块相连通，所述升压芯片与输出接口相连通，所述差分接口芯片与fpga相互连通，所述fpga的信号输送至显示模块，所述差分接口芯片的输入信号为ssidata、输出信号为ssiclk。

进一步，所述锂电池组由多个大容量锂电池并联而成。

进一步，所述升压芯片为基于ti的单端初级电感转换器反激式升压芯片tps55340，其直接给工作环境传感器供电。

进一步，所述低压差降压芯片为基于adi的低压差电源芯片adp124。

进一步，所述差分接口芯片为基于adi的差分接口芯片adm3491。

进一步，所述fpga包括基准周期模块、时钟生成模块、串并转换模块、码型转换模块、液晶显示驱动模块；其中：

基准周期模块用于输入100m时钟，产生ssi数据循环周期；基准周期模块的输入时钟clk100m来自100m的有源晶振，周期总线输出端clkcount[4..0]连到时钟生成模块、码型转换模块的总线输入端；

时钟生成模块用于根据100m系统时钟、ssi数据位数、周期总线，产生ssi接口时钟。时钟生成模块的输入时钟clk100m来自100m的有源晶振，ssi数据位数ssilength[2..0]来自外部拨码开关，周期总线clkcount[4..0]来自基准周期模块，时钟生成模块的输出信号ssiclk连到串并转换模块，同时作为ssi接口时钟通过差分接口芯片输出；

串并转换模块用于根据来自时钟生成模块的100m时钟ssiclk，对来自高精度传感器的ssi接口串行数据ssidata进行串并转换，并行码位数取决于来自外部拨码开关的ssilength[2..0]信号，最终输出三十二位并行码ssidapa[31..0]连到码型转换模块；

码型转换模块用于把格雷码、8421二进制编码、余3码、2421码、5211码等各种码型的并行码转换为标准二进制编码；码型转换模块输入的并行码ssidapa[31..0]来自串并转换模块，ssi编码类型ssimode[2..0]来自外部拨码开关，输入时钟clk100m来自100m的有源晶振，周期总线clkcount[4..0]来自基准周期模块，码型转换模块输出数据锁存信号datalatch和二进制编码数据ssidapb[31..0]连到液晶显示驱动模块；

液晶显示驱动模块用于根据来自码型转换模块的数据锁存信号datalatch和二进制编码数据ssidapb[31..0]，输出tft液晶的控制信号db[15..0]、lcdcs、lcdrst、lcdwr、lcdrd，将高精度ssi传感器的测量数据在tft液晶上显示。

本发明的有益效果如下：

由于采用上述技术方案，ssi接口数据解析仪内置大容量并联设计的锂电池，容错性好，可在工业现场对各种ssi接口传感器进行测试；使用升压芯片产生24v直流电压，直接给现场传感器供电；基于fpga全硬件实现，整体数据解析时间纳秒级；可解析格雷码、8421二进制编码、余3码、2421码、5211码等各种码型各种数据位数的ssi接口数据。

本发明具有ssi数据处理速度快、解析码型全、内置锂电池移动方便、可给工作环境传感器供电等特点，可用于各种恶劣工业环境，对ssi接口的高精度传感器进行高速数据解析、故障定位。

附图说明

图1是本发明系统设计框图；

图2是图1中fpga的结构示意图；

图3是三个完整周期的ssi接口数据解析波形仿真图；

图4是第三周期局部放大的ssi接口波形仿真图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细描述：

一种基于fpga的便携式ssi接口数据解析仪，该装置中fpga在quartus集成开发环境中使用vhdl描述，由基准周期模块、时钟生成模块、串并转换模块、码型转换模块、液晶显示驱动模块组成。

本装置的整体工作情况如图1所示，便携式ssi接口数据解析仪内置大容量锂电池，不需外部电源就可在各种工业生产环境对ssi接口传感器进行测试；使用六节3.7v/2600mah的锂电池组并联，容量达15600mah，按照工作电流100ma、待机电流1ma计算，可连续工作156小时、待机2年，工作电源3.7v，当锂电池长时间使用出现故障或性能衰减时，并联设计的容错性要远高于串联设计。

图1中的升压芯片为ti的tps55340，它是一种单端初级电感转换器反激式升压芯片，输入电压3.7v，输出产生24v直流电压，可以直接给工作环境传感器供电，排除现场电源问题，更好的确定现场故障位置。

tps55340是一种非同步开关稳压器，集成5a、40v电源开关。该芯片可在升压、sepic和隔离式flyback几种标准开关稳压器拓扑结构中进行配置，它包含一个内部振荡器，使用电流模式pwm(脉宽调制)控制来调节输出电压。pwm的开关频率由一个外部电阻器或者一个外部时钟信号进行设定，用户可以在100khz～1.2mhz之间对开关频率进行编程。tps55340采用小型16引脚qfn封装，带有底部电源焊盘以增强散热性能。

tps55340输出电压vout＝1.23*(1+r1/r2)，两个电阻r1、r2分别为191k、10k，则输出电压为23.5v，在dc24v直流电源允许误差范围内。

图1中的低压差降压芯片为adi的adp124，由于锂电池的3.7v电压和fpga工作电压3.3v，压差仅为0.4v，普通的降压芯片无法满足要求。adp124是一款优秀的降压芯片，使用adi的低压差电源芯片adp124由3.7v锂电池电源直接降压实现，压差可低至130mv，输入电压范围2.3v～5.5v，输出电流500ma，初始精度1％，多达31种固定输出电压选项，范围从1.75v～3.3v。

图1中的差分接口芯片为adi的adm3491，它是一款低功耗差分线路收发器，采用3.3v单电源供电。它具有低功耗特性和关断模式，非常适合对功耗敏感的便携式应用，此外也适用于多点总线传输线路通信。

本装置中，核心功能ssi接口数据解析、tft液晶显示均由500万门的大容量fpga芯片ep4ce22f17c8n实现，ssi接口数据解析仪基于fpga全硬件实现，时钟速度纳秒级，整体数据解析时间0.32us。fpga芯片的内部功能如图2所示，由基准周期模块、时钟生成模块、串并转换模块、码型转换模块、液晶显示驱动模块组成。其中：

基准周期模块的主要功能是输入100m时钟，产生ssi数据循环周期。基准周期模块的输入时钟clk100m来自100m的有源晶振，周期总线输出端clkcount[4..0]连到时钟生成模块、码型转换模块的总线输入端。基准周期模块根据100m晶振上升沿工作，每出现一次上升沿，五位计数总线clkcount[4..0]加一，加到31后计数总线清零。

时钟生成模块的主要功能是根据100m系统时钟、ssi数据位数、周期总线，产生ssi接口时钟。时钟生成模块的输入时钟clk100m来自100m的有源晶振，ssi数据位数ssilength[2..0]来自外部拨码开关，周期总线clkcount[4..0]来自基准周期模块，时钟生成模块的输出信号ssiclk连到串并转换模块，同时作为ssi接口时钟通过差分接口芯片输出。时钟生成模块首先根据外部输入的ssilength[2..0]，确定当前的ssi接口数据位数是24位、25位、26位，或者其它数据位数。本发明的系统具有良好的可扩展性，除了可以接收常规的24/25/26位数据长度的ssi数据外，还兼容更多位数的ssi接口数据；接下来判断周期总线clkcount[4..0]数值，小于ssi接口数据位数时，输出的ssi接口时钟ssiclk与clk100m相同，其它计数状态时ssiclk为1。

串并转换模块的主要功能是根据来自时钟生成模块的100m时钟ssiclk，对来自高精度传感器的ssi接口串行数据ssidata进行串并转换，并行码位数取决于来自外部拨码开关的ssilength[2..0]信号，最终输出三十二位并行码ssidapa[31..0]连到码型转换模块。串并转换模块首先根据外部输入的ssilength[2..0]，确定当前的ssi接口数据位数是24位、25位、26位，或者其它数据位数；接下来按照与ssi接口相同的数据位数进行串并转换；

当ssilength[2..0]＝0时，ssi数据24位，初级并行码ssidaps[23..0]；

当ssilength[2..0]＝1时，ssi数据25位，初级并行码ssidaps[24..0]；

当ssilength[2..0]＝2时，ssi数据26位，初级并行码ssidaps[25..0]；

其它数据位数以此类推。

以ssi数据24位为例，串并转换模块根据ssiclk下降沿工作，每出现一次下降沿，将ssidata送给并行总线ssidaps[23..0]的最低位，同时使用for循环将ssidaps[23..0]的二十四个比特左移一位，实现串并转换功能；最后将八位零与ssidaps[23..0]并置，实现三十二位并行码ssidapa[31..0]输出。

ssidapa[31..0]＝“00000000”&ssidaps[23..0]；

码型转换模块的主要功能是把格雷码、8421二进制编码、余3码、2421码、5211码等各种码型的并行码转换为标准二进制编码，本装置除了可以解析常规的ssi接口格雷码、8421二进制编码以外，还可分析余3码、2421码、5211码等其它各种码型。码型转换模块输入的并行码ssidapa[31..0]来自串并转换模块，ssi编码类型ssimode[2..0]来自外部拨码开关，输入时钟clk100m来自100m的有源晶振，周期总线clkcount[4..0]来自基准周期模块，码型转换模块输出数据锁存信号datalatch和二进制编码数据ssidapb[31..0]连到液晶显示驱动模块。

码型转换模块的工作过程描述如下：首先根据外部输入的ssimode[2..0]，确定当前ssi接口为何种码型；

当ssimode[2..0]＝0时，ssi数据为格雷码；

当ssimode[2..0]＝1时，ssi数据为8421二进制编码；

当ssimode[2..0]＝2时，ssi数据为余3码；

其它数据编码以此类推。

接下来判断周期总线clkcount[4..0]数值，当clkcount[4..0]＝31且clk100m时钟下降沿时，进行码型转换，输出二进制编码数据ssidapb[31..0]和数据锁存信号datalatch。

格雷码(graycode)是典型的循环码，特点是序号相邻的两组代码只有一位发生变化，这样在代码转换过程中就不会产生过渡噪声，格雷码的这种特点有助于提高电路的可靠性。

以二十四位格雷码为例分析码型转换过程，码型转换模块输入的并行码ssidapa[31..0]中有效位为ssidapa[23..0]，ssidapa[31..24]＝“00000000”。

ssidapb(23)＝ssidapa(23)；

ssidapb(22)＝ssidapa(22)xorssidapb(23)；

ssidapb(21)＝ssidapa(21)xorssidapb(22)；

ssidapb(20)＝ssidapa(20)xorssidapb(21)；

以此类推。

ssidapb(1)＝ssidapa(1)xorssidapb(2)；

ssidapb(0)＝ssidapa(0)xorssidapb(1)；

ssidapb[31..0]＝“00000000”&ssidapb[23..0]；

各个相邻比特位之间进行异或操作，码型转换模块最终输出的并行码为ssidapb[31..0]，送到液晶显示驱动模块。

液晶显示驱动模块是根据来自码型转换模块的数据锁存信号datalatch和二进制编码数据ssidapb[31..0]，输出tft液晶的控制信号db[15..0]、lcdcs、lcdrst、lcdwr、lcdrd，将高精度ssi传感器的测量数据在tft液晶上显示。

图3和图4是ssi接口数据解析仿真时序图，非常清晰的描述了100m系统时钟、ssi接口串行数据ssidata、基准周期模块产生的计数总线clkcount[4..0]、ssi接口时钟ssiclk、串并转换模块产生的并行码ssidapa[31..0]以及最终送给液晶显示的二进制并行码ssidapb[31..0]之间的相位关系。

图3是三个完整周期ssi接口数据解析仿真图，三组二十四位的ssi接口格雷码串行数据分别为：000000000000000000000100、000000000000000000001100、000000000000000000001101，将其转换为并行格雷码ssidapa[31..0]分别为4、12、13，按照格雷码转换规则，码型转换后ssidapb[31..0]分别为7、8、9，上述这些数据在图3中均有清晰的描述。

图4是第三周期局部放大的ssi接口波形仿真图，图中计数总线clkcount[4..0]从1～24对应分析ssi接口串行数据ssidata的高低电平，可以看出第三周期二十四位的ssi串行数据为000000000000000000001101。当clkcount[4..0]＝31且clk100m时钟下降沿时，进行码型转换，ssidapb[31..0]输出二进制编码数据为9。

本具体实施方式中，ssi接口数据解析仪内置大容量并联设计的锂电池，容错性好，可在工业现场对各种ssi接口传感器进行测试；使用升压芯片产生24v直流电压，直接给现场传感器供电；基于fpga全硬件实现，整体数据解析时间纳秒级；可解析格雷码、8421二进制编码、余3码、2421码、5211码等各种码型各种数据位数的ssi接口数据。

因此，本发明具有ssi数据处理速度快、解析码型全、内置锂电池移动方便、可给工作环境传感器供电等特点，可用于各种恶劣工业环境，对ssi接口的高精度传感器进行高速数据解析、故障定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。