7多摩川编码器总结.docx

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7多摩川编码器总结

2013.7-多摩川编码器总结

2013.7多摩川编码器总结

一、摘要

基于CPLD和DSP实现CPLD与多摩川编码器的通讯，通过对编码器发送请求，得到编码器发回的数据并进行解码，得到绝对位置值。

二、学习步骤：

1、熟悉工作环境，掌握Modelsim以及Quartus的使用。

2、阅读多摩川编码器的通讯协议。

3、根据协议编写testbench，并在Modelsim上进行仿真调试。

4、仿真通过后，通过Quartus编译后下载到CPLD上并与编码器通讯，实际情况下运行。

5、完成各项要求的功能。

6、对代码进行优化，尽可能减少资源占用。

7、验收。

三、总体结构

结构分三部分：

多摩川编码器，CPLD，DSP。

1、编码器跟CPLD之间通过MAX485电平转换进行连接。

2、CPLD与DSP则通过总线进行连接（这一部分结构编写学长已经完成并且提供了端口连接）

3、主要工作是CPLD的解码部分。

四、通讯协议

1、TS5668的技术指标：

（物理层）

精度：

单圈精度:

17位（131072）多圈精度:

16位（65536）

最高转速/（r·min-1）：

6000】

输出：

差分NRZ编码二进制

传输速度/Mbps：

2.5

发送、接收电路：

差分形式

通信方式：

主从模式

接口：

3FG，4sig+，5sig-，7VCC，8DGND。

4和5为差分信号接口。

2、通信步骤如下图：

（逻辑链路层）

1）CPLD向编码器发送一个控制字CF

2）3us后编码器返回数据包。

3）CPLD对数据包进行解码，并将得到的数据放在总线上，等待DSP获取。

具体流程如下图：

3、字的结构：

下图分别为CF、DF、CRC字的结构。

1）CF

字的开始位为0，再是010的同步位，以及4位的控制位，1位奇偶校验位（对控制位进行奇偶校验），结束位为1，共十位。

通过不同的DataIDcode可以实现不同的功能，具体功能如下表：

2）SF

该字包含错误信息，如编码错误和通讯警报。

通过检测相应位置上的值，就可以确定编码器的工作状态是否正常。

3）CRC

进行CRC校验时，要对所有数据进行校验。

计算时除掉每字的起始位和分隔符。

4）数据传输

正如CF介绍中提到，不同的CF控制命令会对应不同的数据结构传输。

主要有三类，而我们用的是DataID0，绝对数据传输。

后面的空格表明没有数据传输。

数据传输中，低位在前，高位在后，每一字都是以0开始以1结束。

由于是17位精度编码器，DF2数据位的高7位都是0。

五、需求分析

1、启动

DSP每隔60us向CPLD发送一个启动脉冲，CPLD捕捉到上升沿后开始向编码器发送CF请求命令。

如果CPLD已经处于发送或接受状态，再接收到启动脉冲，不予响应。

2、485使能

由于CPLD与编码器的通讯需要MAX485进行电平转换，而MAX485是一个半双工器件，因此，需要提供一个端口控制485的使能端，决定485的读写控制。

3、频率要求

板子上提供10M频率的时钟，而多摩川编码器的通讯协议需要2.5M频率时钟，因此需要分频。

4、异常情况分析

考虑到传输过程中的异常情况（比如把“0”传输成“1”，或者反之），以及其他可能会出现的错误情况。

1）编码器接受到错误的CF，给出了相应的回应。

2）编码器接受到错误的CF，没有回应。

3）编码器自身出现错误（在SF中会给出错误类型）。

5、与DSP的通讯

得到绝对位置值之后，需要将读取的结果发送给DSP，而这一过程需要提供一个端口使CPLD与DSP连接。

六、整体设计

1、流程图

基于多摩川编码器的通讯协议以及需求分析，可以做出以下流程图。

有启动脉冲

无响应或无正确响应

正确完成一周期或

错误结束一周期

有正确响应

2、分配状态

根据流程图，可以通过“状态机”来完成各个状态之间的切换，因此，分配状态为：

Idle（闲置），Request（请求），Wait（等待），Receive（接收）四个状态。

状态机的编写有一段式、两段式和三段式，这里状态比较简单，可以采用结构简单的一段式。

（对于复杂的状态机，不推荐使用一段式）

具体写法如下：

reg[1:

0]state

parameter

Idle=2'b00,Request=2'b01,

Wait=2'b10,Receive=2'b11;

…

case（state）

Idle:

…

Request:

…

Wait:

…

Receive:

…

3、闲置状态

CPLD处于闲置状态，等待DSP发送命令。

当DSP发送启动脉冲后，CPLD检测到上升沿，即由闲置状态进入请求状态，同时，为请求状态做好初始化准备。

而在其它状态检测到上升沿时，则不予响应。

具体代码如下：

1）检测启动脉冲

always@（posedgestartorposedgestart_fg1）

begin

if（start==1）start_fg<=1'b1;

if（start_fg1==1）start_fg<=1'b0;

end

2）状态更改并为请求状态做好初始化准备

Idle:

begin

txd<=1;

if（start_fg==1'b1）

begin

state<=Request;

E_c<=1;//485使能，1向编码器写数据

start_fg1<=1'b1;

end

end

4、请求状态

CPLD处于请求状态时，每一个时钟周期发送一个高低电平。

请求命令为：

0010000001。

发送结束后，进入等待状态，等待编码器响应。

具体代码如下：

Request:

begin

if（i==8'd10）//发送结束

begin

state<=Wait;

start_fg1<=1'b0;

E_c<=0;//485使能，0接受编码器数据

CF_r<=10'd0;

txd<=1;

i<=0;

end

else

begin

txd<=CF[9-i];

i<=i+1'b1;

end

end

5、等待状态

CPLD处于等待状态时，等待编码器相应。

编码器一旦发送低电平过来，为避免传输干扰，设定了一个头部检测。

头部检测的方式为，每次左移并接受一个数据，检测开始的头4位，如果头4位正确，则进入到接受状态；如果头4位不正确，则继续左移并接受数据，在指定时间内，如果没有成功接受到数据，则认为这一次通讯失败，并给出错误类型erro<=2'd3，同时数据位报全1（数据位默认为全1），并且进入到闲置状态，等待下一次的请求命令。

在最初设计时，这里加入了一个“超时重发”的功能，即通讯失败后进入请求状态，重新发送请求命令，再次进入到等待状态，并且允许超时重发3次，3次都失败后则执行前面提到的错误处理办法。

只是后来由于时间以及资源的闲置，把这一个模块删掉了，如果资源以及时间允许的话，可以考虑加上这一模块。

具体代码如下：

Wait:

begin

txd<=1;

E_b<=1;

if（CF_r[3:

0]==4'b0010）//头检测

begin

state<=Receive;

i<=0;

CF_r<=（CF_r<<1）|re;

i<=4;

end

else

begin

CF_r<=（CF_r<<1）|re;

if（i==4'd14）

begin

state<=Idle;

erro<=2'd3;

end

else

i<=i+1'b1;

end

end

6、接受状态

这一状态是编码器的主要工作状态，同时由于接收的信息比较多，也是处理起来比较麻烦的一部分。

首先，利用计数器计数10次，读出CF信息，并且保存到CRC_buf里；再次利用计数器计数10次，读出SF信息，也保存在CRC_buf里；再利用计数器计数30次，取出位置信息，这里需注意一点，编码器发回的位置信息是低位在前，高位在后，因此，在接受数据时，需要将其调整一下。

最后，利用计数器计数10次，读出CRC的信息。

接收完数据后，就进行CRC校验。

由于这一部分工作是同组另一位学长完成，这里不做具体阐述。

如果CRC校验通过，则输出位置信息；如果CRC校验不通过，则输出错误信息，并且报全1。

以上是正常情况，同时还需要对CF进行检查。

如果发回的CF与发送出去的CF不同，则出错。

出错的话，按照协议，编码器可能会发回一个最长的数据包，与实际情况不符。

因此，也算作一种错误。

另外，SF的错误信息是编码器自身的错误，根据要求，如果有这种错误的话，需要断电处理。

因此，检测到这种错误时，给出错误信息，并不需要额外处理。

代码如下：

Receive:

begin

if（i<9）

begin

CF_r<=（CF_r<<1）|re;

i<=i+1'b1;

end

elseif（i==9）//CF检验

begin

if（CF_r==CF）

begin

CRC_buf<=CRC_buf|{CF_r[8:

1],40'd0};

CF_r<=（CF_r<<1）|re;

i<=i+1'b1;

end

else

begin

state<=Idle;

i<=0;

erro<=2'd0;

end

end

elseif（i<19）

begin

CF_r<=（CF_r<<1）|re;

i<=i+1'b1;

end

elseif（i==19）

begin

if（CF_r[4]|CF_r[3]）//检测SF，出错应该断电处理begin

erro<=2'd2;

i<=i+1'b1;

end

else

begin

CRC_buf<=CRC_buf|{CF_r[8:

1],32'd0};

DATA1<=（DATA1>>1）|{re,29'd0};

i<=i+1'b1;

end

end

elseif（i<49）

begin

DATA1<=（DATA1>>1）|{re,29'd0};

i<=i+1'b1;

end

elseif（i<59）

begin

CF_r<=（CF_r<<1）|re;

i<=i+1'b1;

end

else

begin

DATA1[23:

0]={DATA1[28:

21],DATA1[18:

11],DATA1[8:

1]};

for（i=0;i<24;i=i+1）

begin

CRC_buf[31-i]=DATA1[i];

end

CRC_buf=CRC_buf|CF_r[8:

1];

for（i=47;i>7;i=i-1'b1）

begin

CRC_buf[47:

40]={CRC_buf[46:

40],（CRC_buf[47]^CRC_buf[39]）};

CRC_buf[39:

0]=CRC_buf[38:

0]<<1;//shift

end

if（!

CRC_buf[47:

40]）DATA=DATA1[23:

0];

state<=Idle;

E_b<=0;

i<=0;

end

end

７、错误状况汇总

对于运行状态中，可能出现的一些错误情况进行了一些汇总。

首先，根据错误的处理方式进行分类。

1）下一周期可以恢复正常的情况：

A、CF错误。

返回的CF与发送的CF不相同，此时按照程序逻辑继续运行。

B、通讯失败。

CPLD发送请求命令后，编码器没有相应。

C、CRC错误。

CRC校验不通过，此时按照程序逻辑继续运行。

2）下一周期不能恢复，需要断电处理：

SF错误。

８、代码优化经验积累

代码在实现了预定功能之后，需要的就是资源优化了。

在网上搜索了一些资料，并根据自己优化的情况，做了一些总结。

应该说，具体情况要具体分析，不过，也会有一些共性的问题。

1）寄存器的位数尽可能少。

在一开始编写过程中，可能会有一些寄存器冗余。

因此在资源优化时，要注意将这些冗余寄存器减掉。

2）尽可能不要用不等比较。

在if判断时，有时会用到不等比较，如if（i<9）。

这种情况下，尽量通过改变逻辑判断改成等于比较。

3）合理利用缓存寄存器。

对于位数较多的寄存器，直接进行处理可能会占用较多资源。

这时，可以多设立一些小寄存器，先行储存下来，进行处理之后，再赋值给大的寄存器。