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本文主要介紹基于SSI接口的磁致伸縮位移傳感器，并結(jié)合EDA技術(shù)設(shè)計(jì)了一種位移測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多路SSI信號(hào)輸出，并可以通過PCI總線傳輸接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。磁致伸縮傳感器采用非接觸測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的直線位移，具有電壓輸出、電流輸出、SSI和現(xiàn)場(chǎng)總線等多種輸出方式。為了滿足高精度測(cè)量和可靠性傳輸，本文采用具有很高抗干擾性的SSI同步串行接口輸出方式，可以遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)以同步方式進(jìn)行交換。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的數(shù)字采集系統(tǒng)對(duì)傳感器進(jìn)行控制，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化傳感器的控制提供了一種新的有效方法。

1、SSI通信原理

SSI通信協(xié)議是一種同步串行接口協(xié)議，通信中只涉及兩條信號(hào)線，即同步時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)可以通過24/25/26位編碼模式串行傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。SSI接口的磁致伸縮傳感器采用差分同步時(shí)鐘信號(hào)Ｃ＋、Ｃ－和差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)Ｄ＋、Ｄ－［１］。通過差分傳輸方式可以有效地提高信號(hào)的抗干擾能力，增加了系統(tǒng)控制的可靠性。由于SSI接口的設(shè)備傳輸速率比較高，而單片機(jī)和DSP等很難實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)的采集，而且一般的工控機(jī)也不具有SSI接口，所以采用FPGA進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過其內(nèi)部豐富的邏輯資源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，其中MSB為最高位，LSB為最低位，Tｍ為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)時(shí)間，Tｐ為兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸間隔時(shí)間。

2、測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文采用FPGA實(shí)現(xiàn)SSI接口磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量，并結(jié)合差分轉(zhuǎn)換、光耦隔離和PCI總線數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)成基于FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過上位機(jī)軟件自動(dòng)控制，監(jiān)控傳感器產(chǎn)生的位移信號(hào)，并可以進(jìn)行后續(xù)分析處理。

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于FPGA的PCI總線控制卡主要包括４個(gè)部分：①差分轉(zhuǎn)換單元，由于SSI時(shí)鐘信號(hào)輸入端和數(shù)據(jù)信號(hào)輸出端為差分信號(hào)，需要采用差分驅(qū)動(dòng)器和差分接收器進(jìn)行差分轉(zhuǎn)換。對(duì)于單路SSI接口，可以采用同時(shí)具有接收和發(fā)送功能的TI公司的SN75179進(jìn)行轉(zhuǎn)換；對(duì)于多路SSI接口，可以在設(shè)計(jì)中采用多個(gè)４路差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器SN75173和４路差動(dòng)接收器SN75174進(jìn)行轉(zhuǎn)換。②光耦隔離單元，為了保證SSI信號(hào)的高速可靠傳輸，設(shè)計(jì)中采用對(duì)輸入和輸出電信號(hào)有良好隔離作用的高速光耦合器6N137，通過光耦隔離可以得到干擾小、穩(wěn)定性強(qiáng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，并將其傳輸?shù)紽PGA。③FPGA中央控制單元，FPGA中央控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)SSI的同步數(shù)據(jù)采集和PCI總線傳輸。首先上位機(jī)給定初始信號(hào)和SSI數(shù)據(jù)開始采集信號(hào),FPGA產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，SSI磁致伸縮傳感器在FPGA發(fā)出時(shí)鐘脈沖信號(hào)的控制下，開始一位位發(fā)送串行數(shù)據(jù)到FPGA控制器，FPGA通過串并轉(zhuǎn)換將SSI的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供PCI總線接收的并行數(shù)據(jù)，通過PCI接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，進(jìn)行后續(xù)處理。④PCI總線傳輸單元，為滿足PCI總線接口規(guī)范，選用了PCI90專用接口芯片，它支持位移測(cè)量控制卡的即插即用和自動(dòng)配置等功能，并提供DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。通過上位機(jī)發(fā)送采集命令，接收FPGA中央控制單元傳輸數(shù)據(jù)，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

2.2 SSI的時(shí)序設(shè)計(jì)

根據(jù)SSI通信協(xié)議，接收和發(fā)送信號(hào)的雙方在時(shí)鐘脈沖信號(hào)的控制下，從最高有效位開始同步傳輸數(shù)據(jù)。接收過程如下：FPGA控制器根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)下降沿，單穩(wěn)態(tài)電路被激活，SSI數(shù)據(jù)信號(hào)開始準(zhǔn)備傳輸；當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，第一位數(shù)據(jù)開始傳輸，隨即時(shí)鐘信號(hào)處于下降沿，單穩(wěn)態(tài)電路再次被激活；接著FPGA通過時(shí)鐘信號(hào)對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行一位位地接收，并將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)；時(shí)鐘信號(hào)末端，控制器獲得最低有效位數(shù)據(jù)，時(shí)鐘脈沖信號(hào)停止，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)時(shí)間（Tｍ）數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)向高電平，數(shù)據(jù)傳輸停止，單穩(wěn)態(tài)電路不被激活。

FPGA控制器接收完一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字后，進(jìn)入到空閑時(shí)間，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期。串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化完并行數(shù)據(jù)后鎖存，等待上位機(jī)讀取。CLK為系統(tǒng)時(shí)鐘，CLOCK為SSI的輸入時(shí)鐘，DIN為SSI的數(shù)據(jù)輸出，out為串并轉(zhuǎn)換移位寄存器數(shù)據(jù)，DOUT為轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)鎖存 器，READ為鎖存器控制信號(hào)。當(dāng)CLOCK時(shí)鐘信號(hào)開始工作，FPGA控制器開始讀取SSI數(shù)據(jù)信號(hào)，并進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。當(dāng)READ信號(hào)有效，上位機(jī)通過PCI總線讀取SSI數(shù)據(jù)信號(hào)，分析證明整個(gè)系統(tǒng)下載到FPGA后運(yùn)行良好。

3、結(jié) 論

本文根據(jù)磁致伸縮傳感器的工作原理和SSI通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的SSI磁致伸縮傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了SSI的位移信號(hào)的采集。通過FPGA綜合管理和時(shí)序設(shè)計(jì)，并經(jīng)過PCI總線傳輸SSI信號(hào)到上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。仿真結(jié)果證明系統(tǒng)有良好的穩(wěn)定性和傳輸可靠性。通過單路SSI的設(shè)計(jì)，可以擴(kuò)展為多路SSI位移控制，實(shí)現(xiàn)大型試驗(yàn)機(jī)或者設(shè)備的位移測(cè)量，具有廣泛的應(yīng)用性。