磁致伸缩位移传感器中CPLD与单片机通信设计

 磁致伸缩位移传感器中CPLD与单片机通信设计
作者：汪丽群；周翟和；沈超；胡佳佳；林雅洁





     在一些电子系统设计中，需要大量的数据运算又需要处理大量的时序逻辑，单独使用单片机或CPLD来完成系统设计并不是一个好的选择。单片机善于处理大量的数据，而CPLD内部有大量的门电路，组合逻辑的功能很强。在功能上单片机与CPLD具有很强的互补性，采用CPLD+单片机结构的系统能充分发挥2种处理器的优势。采用该结构的系统实现的关键之一是解决CPLD与单片机之间的数据通信问题。CPLD与单片机之间的通信方式有2种：并行通信和串行通信。并行通信接口电路设计复杂、传输速率高；串行通信接口电路设计简单、传输速率不高。目前，已有UART、I'C、SPI等串行通信规范可以实现两者之间的通信，但这些接口作为单片机中应用广泛的通信接口，往往会被其他应用所占用，且消耗外部硬件资源。同时 CPLD要实现以上的串行接口，其逻辑设计比较复杂。介绍了 一种采用CPLD+单片机结构的磁致伸缩位移传感器系统，重点研究了该传感器中CPLD与单片机通信系统的设计与实现，介绍了 一 种简单、灵活的自定义串行通信方法，有效解决以上常规串行通信方式的问题。

2、 位移传感器系统及通信方案的设计

2.1 位移传感器系统的设计

       磁致伸缩位移传感器利用磁致伸缩效应将位移量转化为时间间隔来实现位移测量。该传感器采用CPLD+单片机结构，充分发挥CPLD快速准确测量时间、编程方便灵活和单片机数据运算快的优势 。

      核心测量系统主要由Altera公司的CPLD器件EPM570Tl0015和Silicon Labs公司的C8051F310单片机组成。CPLD主要功能是测量激励脉冲的产生到感应脉冲的接受之间的时间间隔T, 并将数据传送给单片机。CPLD首先将激励脉冲与经过感应脉冲信号处理电路处理后的感应脉冲通过时间间隔获取电路得到脉宽与时间间隔T相等的PWM信号。将PWM信号作为闸门信号控制计数器对高频脉冲进行计数，产生16位计数值并通过计数数据处理电路消除随机误差。最终通过通信接口电路将处理后的16位计数值传送给单片机。

       C8051F310单片机主要把CPLD传输的计数值转换为位移值，在LCD上显示，同时发送到PC实时监控。磁致伸缩位移传感器系统采用CPLD+单片机结构保证了测量结果的高准确度，但前提是必须具有高准确度的数据通信系统，来保证传感器测量结果的准确性与可靠性。

 2.2 CPLD与单片机通信方案的分析与设计

       在磁致伸缩位移传感器测量系统中，其测量周期为18ms,CPLD对时间间隔T计数产生16位计数值。在每个测量周期结束之前，通过高电平为40 ns的清零信号将数据进行清零。由此可知在传感器系统中需要传输的数据量不大，可选用串行通信传输且数 据 刷新周期为18ms,只要保证数据通信时间不超过18 ms即可实时显示位移值，对数据传输的速率要求不高。该通信系统需要解决的是在计数结束之后，CPLD将有效的16位计数值传输给单片机进行处理。考虑到C8051F310单片机的1/0口个数的局限性，需减少数据线的个数，将16位数据转换为2位数据串行输出。结合传感器产生的16位计数值的特性，采用自定义串行通信方式进行通信，以计数值为Ox03E9为例。在18 ms的测量周期里，首先CPLD从传感然产生的16位计数值中提取有效的计数数据Ox03E!J。CPLD传送握手信号通知单片机进行数据读取，待计数结束之后16位计数数据稳定，单片机通过1/0口输出3位控制信号给CPLD, 读取2位串行数据进行处理。

3、自定义串行通信系统的设计与实现

3.1自定义串行通信系统的总体设计

        CPLD内部电路主要由时间间隔获取电路、计数数据产生电路与通信接口电路组成。计数数据产生电路测量时间间隔T产生16位计数数据，为数据信号做准备；时间间隔获取电路产生脉宽与时间间隔T相等的PWM信号，为握手信号做准备；通信接口电路实现数据、控制、握手信号的接口功能，与单片机建立通信。单片机主要由数据读取模块、数据处理模块与UART模块组成。其主要将CPLD中所测量的16位计数数据读入并处理产生位移值，传送给PC实时监控。单片机与PC之间采用RS485串行标准进行通信连接，实现远程通信传输，满足传感器工业现场要求。

3. 2 CPLD 部分关键通信电路设计与实现

       通信接口电路是 CPLD 中关键的通信电路，其由并转串电路延与时电路组成的，采用 V H D L 语言描述 ，并在软件平台 Q uartus II 上进行仿真，验证系统功能。

       并转串电路提供2位数据信号输出接口，从传感器的数字信号中提取有效的 16 位计数数据，通过并转串转为 2位数据串行输出；提供3位控制信号输人接口，单片机输人控制信号，读取 CPLD 数据信号输出的 2 位数据。从传感器的数字信号中提取有效的 16 位计数数据是最为关键的。在每个 18 ms 测鼠周期中，计数结束后(PWM 信号变为低电平），有效的 16 位计数数据保持稳 定，但在最后40 ns内清零变为 0x0000。为了避免受 0x0000 的影响，故在捕捉到PWM 信号下降沿时，将输入数据中有效的 16 位计数数据锁存在寄存器中。然后单片机依次输人 "000"到 "111"给控制信 号输入接口，数据信号输 出接 口依次输 出寄存器中存储的有效的16位计数数据的低2位到高2位。

       延时电路提供握手信号输出接口，将 PW M 信号的高电平延时一定的时问，传送给单片机的1/0口进行查询。为了保证计数结束后，有效的 16 位计数数据锁存在寄存器中巳准备好进行传输，可设定延时 100s。CPLD顶层GDF输入图中pwmw电路为时间间隔获取电路，模拟周期为18 ms, 高电平为20s的 PWM 信号。sensor_data 电路为计数数据产生电路，对 PW M信号数产生 16 位数字信号，提供给通信接口电路做处理，验证通信接口电路的功能。 delay_ l00s电路 、Datal6to2 电路为延时电路 、并转串电路。CPLD 通信功能仿真波形在 18 ms 的测扯周期中，需要传输的有效数据为 Ox03E9。当 握手信号handshake为低电平时，根据控制信 号 control的值，数据信号 Data_out依次输出有效数据 Ox03E9 的低两位到高两位。由此可知， CPLD 电路能实现通信接 口的功能，给单片机提供稳定准确的数据，建立通信。

3.3 单片机部分通信模块设计

       单片机部分通信模块主要由数据读取模块与数据处理模块组成。数据读取模块是整个单片机通估部分中关键的部分．根据时序图进行软件设计，单片机查询CPLD输出的握手信号所对应的I/0口是否为低电平，若为低屯平．则说明数据巳准备好；反之．说明未准备好，则继续查询I/0口。待数据准备好，单片机对应的1/0口依次写"000"到"111 "输入CPLD的控制接口。据此， CPLD的数据接口输出两位数据给汁片片机对应的I/0口读取，并送入寄存器存储，便千通信数据处理。

       数据处理模块主要实现将读取的计数数据转化为对应的位移值。首先将寄存器内存储的2位数据进行移位操作，产生16位计数值。根据磁致伸缩位移传感器的T作原理，位移＝时间间隔TX磁致扭转波的传播速度，共中传播速度为2 800 m/s'1。由16位计数值与CPLD品振可计算出相应的时间间隔T,从而可得相应的位移。

4 通信系统性能比较及实验验证

4. l 通信系统性能比较

       C8051F310单片机现有资源： 29个I/0口、1个UART及1个SPI串行通信接口、无总线工作模式且其工作时钟为24. 5 MHz。据此可知，CPLD与C8051F310单片机之间通信可以采用如下常用通信方式： UART方式、 SPI方式、I/0口模拟总线方式并行通信。自定义串行通信方式与以上3种常用的通估方式比较。

       与常用的通信方式比较，自定义串行通信方式有如下优点：通信方式接口屯路简单；在整个通估过程中，数据信号2个、控制信号3个、握手信号1个，占用C8051F310单片机6个I/0口；无需消耗单片机的外部硬件资源；单片机编程简单；同时CPLD内部主要实现通估接口模块，逻辑设计简单，消耗的逻辑单元少。但自定义串行通信方式的通信速率相比较其他的3种方式，不够快。该通信系统的数据批不大、对数据传输的速率要求不高，自定义串行通信方式可以满足通信速率的要求。

4.2 通信系统的实验验证

       为了验证CPLD与单片机通信系统的性能，需对所设计的通信系统进行测试。由于磁致伸缩位移传感器所测狱结果的准础度巾传感器各组成部分所决定．所以通过传感骈测扯的位移值不能直观的休现通信系统的性能。故对单独的通信系统进行实验验证。搭建CPLD与1y1片机通信电路．将顶层GDF输入图烧录到CPLD中进行通信实验验证。将单片机读入的计数值处理后传送给PC, 通过串口调试助下观测实验结果。串口助手上循环显示“s01001". 其中S为数据标志位，01001为计数值．采用十进制表示。该结果与CPLD模拟的16位计数值“0x03E9”相同．说明CPLD与单片机可建宽良好的通信．井且能保证数据的准确性、实时件．

5、结论

       提出了一种CPLD与单片机的自定义串行通信系统的实现方案．应用千磁致伸缩位移传感器中。经实验验证，该通信系统硬件电路简单，逻机设计简巾，单片机通信程序可读性好．保证了数据通信的准确性、可靠性。 这种通信方式能有效地应用于处理数据不大、传输速率要求不高的数据传输场合，具有较高的工程应用价值。该通信系统充分利用了CPLD与单片机的优点，选用晶振稍高的CPLD或单片机，可得到更高的处理速度和精度，提高通信系统的准确度，从而更好的满足磁致伸缩位移传感器高精度的需求。





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