一種應用于閘位計的SENT接口設計范文

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摘要：設計了一種用于閘位計的單邊沿半字節(jié)傳輸（sent）接口，該接口一方面可以減少閘位計的布線，另一方面減少采集器IO口的占用數(shù)量。接口采用低功耗可編程邏輯器件CPLD實現(xiàn)。經(jīng)過邏輯仿真，實際測試該接口設計正確。

關鍵詞：閘位計，單邊沿半字節(jié)傳輸協(xié)議（SENT），可編程邏輯器件  

閘位計是水利行業(yè)的常用儀表，閘位計通常有機械碼盤型和光電旋轉(zhuǎn)編碼器。機械碼盤型閘位計通常采用12位并行格雷碼輸出，光電旋轉(zhuǎn)編碼器通常采用SSI（同步串行接口）輸出。12位并行格雷碼要求采集單元有多個IO口，SSI接口要求采集單元提供高速編碼時鐘。還用一類通過微控制器將機械碼盤型并行接口或光電旋轉(zhuǎn)編碼器SSI接口轉(zhuǎn)換成RS485接口的閘位計。在較大的閘門控制現(xiàn)場通常有多個閘位需要測量，這就要求采集設備具有更多的IO口，或者多個SSI接口。對于采用RS485接口的閘位計，采集器通常按照輪詢方式采集各個閘位［1－2］。單邊沿半字節(jié)傳輸（SingleEdgeNibbleTransmission）協(xié)議簡稱SENT協(xié)議，是美國汽車工程師學會（SAE）制定的，旨在提供更精確有效并且低成本的電機控制解決方案。相比于模擬信號輸出和PWM輸出方式，基于SENT協(xié)議的電機控制是一種可以有效降低成本、節(jié)省線束、節(jié)省插針結(jié)頭的低成本方案，具有很好的EMC特性，并且能傳輸故障代碼從而使傳感器系統(tǒng)具有很強的故障診斷能力［3－5］。SENT協(xié)議采用單向傳輸，僅需要一根信號線就能傳輸一個傳感器的物理量信息和故障代碼。鑒于SENT協(xié)議的優(yōu)勢，本文設計一種將傳統(tǒng)閘位計轉(zhuǎn)換成SENT協(xié)議的接口裝置。

1SENT協(xié)議

SENT協(xié)議是一種點對點的單向從傳感器到控制器的協(xié)議，控制器不需要同步信號。傳感器信號以一串脈沖來傳送，脈沖下降沿之間時長表示信號的大小。傳感器上電后立即發(fā)送數(shù)據(jù)，接收機不需要發(fā)送查詢信號。一個SENT幀包括同步頭、傳感器狀態(tài)、6個半字節(jié)數(shù)據(jù)、CRC校驗字段。除同步頭外，SENT報文按照半字節(jié)傳送。半字節(jié)傳送的時間單位是時鐘。SENT協(xié)議規(guī)定時鐘周期在3～10μs之間。SENT報文中每一個半字節(jié)被編碼成一個正脈沖，脈寬大小取決于半字節(jié)的數(shù)值。半字節(jié)為0，正脈寬7個時鐘，半字節(jié)數(shù)值每增加1，正脈寬增加一個時鐘，因此最大正脈寬時間是22個時鐘。正脈沖之間采用固定5個時鐘的負脈沖間隔。圖1中a、b顯示的是0和15的半字節(jié)SENT脈沖波形。同步頭由51個時鐘長度的正脈沖表示［3］。

2CPLD實現(xiàn)的閘位計SENT接口

SENT幀格式設計如表1。同步頭按照SENT協(xié)議規(guī)定產(chǎn)生。SENT幀幀中的傳輸?shù)拈l位計狀態(tài)僅考慮正常／故障2種情況，用0值表示閘位計正常，8值表示閘位計有故障。數(shù)據(jù)1對應二進制閘位值最高位4比特G11－G8，數(shù)據(jù)2對應二進制閘位值中間位4比特G7－G4，數(shù)據(jù)3對應二進制閘位值最低位4比特G3－G0。接著后面的兩個半字節(jié)分別設計為數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2的邏輯反，最后一個半字節(jié)是一個減計數(shù)器，從15到0循環(huán)減小。表1用于閘位計的SENT幀設計CPLD邏輯功能如圖2所示，可劃分為格雷碼譯碼模塊、同步字段發(fā)生模塊、閘位計狀態(tài)發(fā)生模塊、半字節(jié)填充模塊、CRC校驗模塊、選擇器模塊、脈沖邏輯發(fā)生模塊以及系統(tǒng)控制邏輯模塊。格雷碼譯碼模塊由一組異或門的組合邏輯構(gòu)成，12位并行格雷碼閘位值經(jīng)譯碼得到12位并行二進制碼閘位值。這12位二進制碼按照每4比特一組分為3個半字節(jié)，作為SENT幀的數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2和數(shù)據(jù)3。同步字段發(fā)生模塊是一個6比特的常數(shù)44。閘位計狀態(tài)發(fā)生模塊根據(jù)閘位計的狀態(tài)產(chǎn)生4比特數(shù)據(jù)0（正常）或者8（故障）。半字節(jié)填充模塊包括一組產(chǎn)生閘位值最高8比特的邏輯反相器和一個4比特減計數(shù)器，用于填充SENT幀中閘位數(shù)據(jù)值后面的3個半字節(jié)，即數(shù)據(jù)1的反、數(shù)據(jù)2的反以及減計數(shù)值。CRC校驗模塊產(chǎn)生幀的校驗值。選擇器在系統(tǒng)控制邏輯模塊的控制下選擇同步字段模塊的輸出、閘位計狀態(tài)發(fā)生模塊輸出、12比特二進制閘位值、半字節(jié)填充模塊的輸出以及CRC校驗模塊的輸出之一作為隨后的脈沖邏輯發(fā)生模塊的輸入。脈沖邏輯發(fā)生模塊先產(chǎn)生5個時鐘的低電平，然后根據(jù)6比特輸入的值產(chǎn)生比輸入值多7的時鐘數(shù)的高電平。以上所有模塊在系統(tǒng)控制邏輯模塊下控制。CRC校驗采用多項式是x4＋x3＋x2＋1，初始種子為0101。CRC校驗模塊采用如下圖3所示電路實現(xiàn)。開始校驗前寄存器預置成CRC3＝0CRC2＝1CRC1＝0CRC0＝1，數(shù)據(jù)從Data端輸入，經(jīng)過24比特時鐘后從4個寄存器取出4比特校驗結(jié)果［CRC3CRC2CRC1CRC0］。圖3SENT幀4比特CRC計算電路

3仿真與測試

選用Intel公司MaxII系列CPLD，在EDA環(huán)境下對邏輯進行仿真，波形如圖4a所示。圖中顯示了6個半字節(jié)的數(shù)據(jù)和它們的CRC校驗結(jié)果，數(shù)據(jù)0xFFF00E的CRC校驗結(jié)果是0x04，數(shù)據(jù)0xFFF00D的CRC校驗結(jié)果是0x07，相應的SENT幀輸出顯示在隨后一行，可以觀察到幀同步頭、狀態(tài)、數(shù)據(jù)以及校驗字段對應的波形，經(jīng)測量邏輯正確。仿真正確后將邏輯載入CPLD中，使用RigolDS6104示波器對CPLD輸出SENT信號波形進行測量，如圖4b所示。實驗中時鐘為250kHz，即時鐘周期是4μs。低電平持續(xù)時間5個時鐘，占用時間20μs。同步頭正脈沖占用51個時鐘，約200μs。圖中顯示的波形是狀態(tài)正常，數(shù)據(jù)為0xFFF00E，相應的校驗字是0x04產(chǎn)生的波形。為了測量所設計的正確性，對所產(chǎn)生的SENT幀進行解碼還原出閘位值顯示。測試方案如圖5a所示。使用AVR單片機接收SENT信號進行解碼，并將轉(zhuǎn)換值上報給上位機進行存儲展示。AVR單片機解碼使用它具有的外部脈沖捕獲功能，對收到的SENT信號中鄰近的下降沿時間間隔計數(shù)，根據(jù)計數(shù)值得到高電平時間，從而對SENT進行解碼恢復閘位信息。測試中讓格雷碼閘位計勻速轉(zhuǎn)動，SENT解碼結(jié)果由上位機不間斷顯示。實驗使用的是南京水利水文自動化研究所的12位格雷碼閘位計，圖5b是在上位機上顯示的閘位值解碼結(jié)果，閘位從0開始均勻增加，當達到最大值4095后變?yōu)?重新開始。圖5閘位計SENT接口測試方案(a)和測試結(jié)果（b）

4結(jié)束語

本文設計了一個用于并行格雷碼閘位計的SENT接口轉(zhuǎn)換裝置，采用低功耗CPLD實現(xiàn)。經(jīng)過仿真和實際測試，證明該SENT接口邏輯正確。使用SENT接口后大大減少閘位計現(xiàn)場布線以及采集器IO口的占用。

參考文獻

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［2］宦鴻興，柏屏．基于AT89C52單片機的泵站現(xiàn)地監(jiān)控單元設計［J］．排灌機械，2006，24（3）：12－16

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［5］黃鵬，杜克奎，榮鋒，等．基于自適應SENT協(xié)議的電機控制系統(tǒng)設計［J］．天津工業(yè)大學學報，2016，35（2）：83－88

作者：花再軍 黃鳳辰 陳釗 李建霓 單位：河海大學計算機與信息學院