基于BISS C模式编码器数据采集及显示系统设计

王洪娟，邢柏强，刘 岩，关正坤

（首都航天机械公司，北京，100076）

基于BISS C模式编码器数据采集及显示系统设计

王洪娟，邢柏强，刘 岩，关正坤

（首都航天机械公司，北京，100076）

为得到正确的转台方位值和俯仰值，针对绝对式轴角栅编码器设计了基于BISS C模式的编码器数据采集及显示系统。采用DSP+FPGA为核心的硬件结构，DSP通过GPIO实现编码器数据的控制和数据接收并计算角度值；FPGA实现整体的逻辑控制及时序配置。BISS C模式编码器数据采集及显示系统能够正确的采集圆光栅编码器的角度值并将其显示，与编码器数据交换周期最高可达到40 µs，MA时钟频率最高10 MHz，数据延迟最大42.5 ns。试验中数据交换周期为100 µs，MA时钟2 MHz，MA高电平采集SLO数据，显示频率为50 Hz。试验证明，系统接收及显示数据正确，工作状态稳定、良好。

BISS C模式；编码器；数据采集

0 引 言

目前绝对式轴角编码器是常用于光电跟踪设备中的测角元件，用于测量跟踪目标的方位值和俯仰值[1]。绝对式轴角编码器采用串行接口与数据接收系统交换数据，数据格式为BISS C模式。针对绝对式轴角编码器，设计了基于BISS C模式的编码器采集及显示系统（以下简称BISS C编码器采显系统）[2]。BISS C编码器采显系统可以广泛应用于光电跟踪设备中，实时与轴角编码器进行数据交换[3]；采用FPGA＋DSP的模式对接收数据进行编译和校验并根据约定的数据格式将数据传输给其他分系统，同时以“度/分/秒”格式将测角值直观显示在液晶屏上，便于观测和调试。BISS C编码器采显系统已在工程实践中得到应用，数据采集稳定、显示直观。实践证明：BISS C编码器采显系统可以正确地与编码器进行数据交换并实时显示目标的方位值和俯仰值，工作稳定，具有较强的工程实践意义。

1 编码器数据接收及显示设计

1.1 系统设计

根据BISS C协议的内容，设计绝对式圆光栅编码器数据接收及显示板卡，采用DSP＋FPGA的硬件结构模式，编程实现与圆光栅之间的数据交换，对接收的二进制码进行编译和处理，以“度/分/秒”形式将目标的方位值和俯仰值显示在液晶显示屏上[4]。如图1所示，BISS C编码器采显系统主要包括圆光栅编码器、数据接收及显示系统和1个触摸式液晶显示屏。

图1 BISS C编码器采显系统整体结构

由图1可知，BISS C编码器采显系统作为主设备，圆光栅编码器作为从设备，主设备为从设备供电并提供位置采集请求和时序信息MA，从设备编码器接收到MA信号后，向主设备提供与MA时钟信号同步的位置采集数据SLO。另外，主设备还通过串行通讯接口，编程实现对液晶显示屏的控制及数据输出，实时在液晶显示屏显示目标的方位值和俯仰值[5]。

1.2 软件设计

BISS C编码器采显系统的软件设计分为FPGA程序设计和DSP程序设计2部分。FPGA主要实现逻辑控制、复位及中断处理等功能；DSP主要实现编码器数据的接收与处理及液晶显示等功能[6]。图2和图3分别为FPGA和DSP的主程序流程示意。

图2 FPGA程序流程

由图2可知，FPGA程序先定义输入、输出信号，然后根据外部复位芯片MAX706的输出为整个系统提供复位信号，由FPGA与DSP进行双向数据交换，最快以40 µs为周期，将DSP发出的MA信息提供给编码器，将编码器按BISS C协议输出的SLO数据提供给DSP[7]。另外，FPGA提供所有外围芯片的逻辑控制信号并为DSP提供中断信号。

图3 DSP主程序流程

由3可知，DSP程序开始首先进行初始化，接着主程序开始，DSP按照中断最快以40 µs为周期进行数据交换和处理，通过GPIO发送MA信息，在MA高电平期间接收SLO数据，寄存器存储SLO数据并根据BISS C协议找到帧数据开始位置并置标志位，接着将接收到的二进制数据进行计算并转换，以“度/分/秒”形式进行输出并显示在液晶显示屏的相应位置。

2 试验结果及分析

对BISS C编码器采显系统进行试验，采用绝对式圆光栅编码器采集转台的方位值和俯仰值并在液晶显示屏上显示角度值[8]。试验原理如图4所示。

图4 数据接收及显示试验

试验中，圆光栅编码器安装于可做方位和俯仰旋转运动的转台上，数据接收及显示板卡接收其输出数据并显示，二者之间最快以40 µs为周期进行数据交换。试验中MA采用2 M的时钟频率，编码器在有效时钟高电平期间回复SLO数据。图5给出了采用SignalTap工具采集的MA时钟及SLO数据，根据BISS C协议对数据进行分析。

图5 SignalTap采集BISS C协议数据示意

由图5可知，数据段有36个有效数据，对于26位编码器，根据BISS协议，数据位= 1位Start＋1位0＋26位Position＋1位Error＋1位Warn＋6位CRC = 36位数据，由图5读出的36位数据为“1|0|10000101001001101100000110|1|1|100101”。根据BISS协议可知：a）前2位“10”为起始位Start位和其后的0位，作为数据的帧头；b）有效数据位为“10000101001001101100000110”（Position位）；c）其后2位“11”为Error位和Warn位；d）最后6位“100101”为CRC(6-bit)校验位。

根据BISS协议，Error位“1”表示传输的位置信息已被读数头的内置安全校验算法校验；Warn位“1”表示光栅尺及读数窗口清洁，说明编码器此时的工作状态良好。由上文可知SLO读数的位置、错误及警告数据为x =“1000010100100110110000011011”，对其进行CRC多项式x6+x1+x0计算，得到的结果取低6位为“100101”，与采集数据得到的CRC校验位相同，这样说明采集的数据有效、正确。

BISS C编码器采显系统以50 Hz的频率与液晶屏进行数据交换。图6为液晶显示屏示意图。

图6 液晶屏显示方位和俯仰值示意

由图6可知，编码器数据接收及显示板将接收到的SLO数据进行处理和计算后，通过串口芯片发送给液晶显示系统，以“度/分/秒”的格式显示方位值与俯仰值，数据刷新率为50 Hz。

3 结 论

BISS C编码器采显系统能够正确地向编码器提供位置采集请求和时序信息MA，采集编码器以BISS C协议输出的位置数据SLO，采用DSP＋FPGA的硬件结构对数据进行处理、计算和显示，以“度/分/秒”的形式将角度值正确地显示在液晶显示屏上。系统与编码器之间数据交换周期最高可达到40 µs，MA时钟频率最高为10 MHz，数据延迟最大为42.5 ns。试验证明系统工作状态稳定、良好，角度数据显示正确。

[1] 赵长海, 万秋华, 王树洁, 卢新然. 21位光电编码器数据处理系统[J].电子测量与仪器学报, 2010,24(6): 569-573.

[2] 卢新然, 万秋华, 杜颖财, 赵长海. 星载高精度小型多圈绝对式编码器设计[J]. 电子测量与仪器学报, 2010,24(9): 848-852.

[3] 邓方, 陈杰, 陈文颉, 等. 一种高精度的光电编码器检测方法及其装置[J]. 北京理工大学学报: 自然科学版, 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, 张炜. 光电轴角编码器光电信号正交性偏差的向量校正方法[J]. 光学精密工程, 2007,5(11): 1745-1748.

[6] 刘丰文, 邓文和. 25位绝对式编码器[J]. 光电工程, 2000,27(6): 66-68.

[7] 常春, 胡瑜, 董彬. 光电旋转编码器的研究与应用[J]. 仪表技术与传感器, 2001(12): 34-35.

[8] 肖鲲, 王莉娜. 基于FPGA的BISS协议光电编码器通信模块设计[J].电子测量技术, 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，工程师，主要研究方向为液压气动系统工艺流程设计