摘要：闡述了ＰＣ機和激光測距雷達(dá)雙路高速串行數(shù)據(jù)通訊接口卡的系統(tǒng)構(gòu)成。重點介紹了ＲＳ－４２２Ａ高速串行通訊接口及收發(fā)控制、接口卡和ＰＣ機通信緩沖區(qū)的共享、卡上資源分配等關(guān)鍵性問題。

關(guān)鍵詞：ＲＳ－４２２ 高速串行通信 接口卡 雙端口ＲＡＭ ＦＰＧＡ

在我們智能自主式移動機器人項目的研制中，采用了兩路二維激光雷達(dá)來完成障礙物檢測、路標(biāo)檢測及地圖匹配等工作。我們采用的激光雷達(dá)均提供了一種ＲＳ－４２２串行通訊接口。雷達(dá)通過與ＰＣ機的握手通信完成初始化工作之后，便分別以４０ｍｓ和８０ｍｓ為工作周期將測距結(jié)果以５００Ｋｂｐｓ的速率發(fā)送至ＰＣ機。ＰＣ機收到每一幀數(shù)據(jù)后便開始隨后的處理工作。工作周期為８０ｍｓ的激光雷達(dá)每幀數(shù)據(jù)長度為８１２字節(jié)，工作周期為４０ｍｓ的激光雷達(dá)每幀數(shù)據(jù)長度為４１２字節(jié)。

若采用目前市面上能提供的普通串行數(shù)據(jù)通信卡來完成ＰＣ機與激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)通信有三個缺點：

·商用通信卡很少能達(dá)到如此高的通訊速率；

·商用通信卡只能一個字節(jié)一個字節(jié)的接收，即使啟用卡上的ＦＩＦＯ一次也只能收?。保秱€字節(jié)，這樣必然消耗ＰＣ機很多寶貴的數(shù)據(jù)處理時間；

·由于ＰＣ機運行的ｗｉｎｄｏｗｓ９８系統(tǒng)是非任務(wù)搶斷型的操作系統(tǒng)，在如此高的通訊速率要求下（兩路雷達(dá)數(shù)據(jù)同時到來時對ＰＣ機來說瞬時通訊速率為１Ｍｂｐｓ，有時會導(dǎo)致系統(tǒng)丟失一幀數(shù)據(jù)中的某幾個字節(jié)，從而使整幀數(shù)據(jù)成為廢幀，影響了系統(tǒng)的可靠工作。

因此，必須根據(jù)應(yīng)用要求，自行研制ＰＣ機和激光測距雷達(dá)雙路高速數(shù)據(jù)通信接口卡。

1 接口卡研制目標(biāo)和總體方案

針對激光測距雷達(dá)在智能自主式移動機器人中的應(yīng)用要求，我們對接口卡的設(shè)計提出了如下的總體目標(biāo)：能夠順利地接收并存儲最多三幀的兩路雷達(dá)數(shù)據(jù)，并按ＰＣ機命令要求，完成一定的簡單數(shù)據(jù)預(yù)處理后將結(jié)果轉(zhuǎn)送給ＰＣ機，由ＰＣ機做進(jìn)一步的高級處理。

根據(jù)系統(tǒng)要求，板卡上的ＣＰＵ決定選用８０Ｃ１９６ＫＤ單片機。８０Ｃ１９６ＫＤ是Ｉｎｔｅｌ公司繼ＭＣＳ－９６之后的一種高性能１６位單片機，它功能強、速度快、使用方便、抗干擾性能好，在工業(yè)控制、智能儀表、家電中都得到了廣泛應(yīng)用[１]。系統(tǒng)總體方案見圖１。

2 系統(tǒng)設(shè)計中的幾項關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ＲＳ－４２２通訊接口及收發(fā)控制

ＲＳ－４２２Ａ通信接口標(biāo)準(zhǔn)使用單一＋５Ｖ電源供電，是一個平衡型接口。它采用差動發(fā)送、差動接收的工作方式，發(fā)送和接收電路使用各自獨立的平衡驅(qū)動器、接收器對，因而排除了各接收器地電勢差帶來的影響。使用ＲＳ－４２２Ａ接口標(biāo)準(zhǔn)最大通信速率可達(dá)１０Ｍｂ／ｓ（對應(yīng)通信距離１２ｍ），最大通信距離可達(dá)１２００ｍ（對應(yīng)通信速率為１０ｋｂ／ｓ。

對于５００ｋｂ／ｓ高速的串行通信，靠８０Ｃ１９６ＫＤ自帶的串行通信接口已無法承擔(dān)，必須采用專用的異步串行通信收發(fā)器（ＵＡＲＴ）來實現(xiàn)。下面先簡要介紹一下系統(tǒng)中采用的ＴＩ公司的ＵＡＲＴ產(chǎn)品１６Ｃ５５０Ｃ。

ＴＩ公司生產(chǎn)的異步收發(fā)器（ＵＡＲＴ）ＴＬ１６Ｃ５５０Ｃ是ＴＬ１６Ｃ４５０的升級，它的主要功能與ＴＬ１６Ｃ４５０完全相同，但是它片內(nèi)多了一塊１６個字節(jié)的先進(jìn)先出（ＦＩＦＯ）存儲部件，用于緩解高速通信場合下ＣＰＵ的繁忙程度。當(dāng)片內(nèi)的ＦＩＦＯ被激活時，最多允許在ＦＩＦＯ中存儲１６個字節(jié)作為緩沖。為提高ＣＰＵ讀數(shù)據(jù)的速度，該片支持ＤＭＡ操作。

１６Ｃ５５０Ｃ在外設(shè)或ＭＯＤＥＭ接收到串行數(shù)據(jù)時能自動完成串并轉(zhuǎn)換并存儲，在收到ＣＰＵ發(fā)來的數(shù)據(jù)時能自動完成并串轉(zhuǎn)換并發(fā)送。在ＵＡＲＴ工作過程中ＣＰＵ能隨時查詢到ＵＡＲＴ此時的工作狀態(tài)。它最高可支持１Ｍｂｐｓ的串行通訊速率[２]。

ＲＳ－４２２接口通訊部分原理圖見圖２。

差動發(fā)送器采用ＳＮ７５１７４，差動接收器則采用ＳＮ７５１７５。由于系統(tǒng)要求的通信速度很高，因此一般的光電隔離器件如ＴＬＰ５２１系列不能滿足要求，而應(yīng)采用高速光耦。美國Ｇｅｎｅｒａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司生產(chǎn)的高速光電耦合器６Ｎ１３７，由磷砷化鎵發(fā)光二極管和單片光敏集成檢測電路組成。通過光敏二極管接收信號并經(jīng)內(nèi)部高增益放大器把信號放大后，由集電極開路門作為輸出。該器件隔離電壓高，速度快，共模抑制性強，完全能勝任高速通訊工作。

另外，為提高系統(tǒng)的抗干擾性，除了采取高速光電隔離以外，對每一路高速通訊口均采用了一個電源隔離模塊，這樣即使在外部通訊受到強干擾甚至短路的情況下，也能保證計算機的絕對安全。

激光測距雷達(dá)的數(shù)據(jù)由ＴＬ１６Ｃ５５０Ｃ接收后，向８０Ｃ１９６ＫＤ發(fā)出數(shù)據(jù)有效信號，由８０Ｃ１９６ＫＤ來取走其緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。

2.2 接口卡和ＰＣ機通信緩沖區(qū)的共享

接口卡和ＰＣ機共享ＲＡＭ的實現(xiàn)方式一般有以下三種方案：

· 采用雙端口ＲＡＭ，該方式速度高，應(yīng)用方便，適用于共享數(shù)據(jù)區(qū)兩側(cè)需要頻繁高速地交換數(shù)據(jù)的場合，但成本稍高；

·采用單口ＲＡＭ，并附加以一定的控制邏輯以保證某一時刻ＲＡＭ的總線只和一個宿主相連接，以避免發(fā)生總線沖突。這種方式適用于交換數(shù)據(jù)量較小，次數(shù)也不頻繁的場合，尤其是不能有ＲＡＭ兩側(cè)的宿主同時要占用ＲＡＭ的情況；

·采用兩片單口ＲＡＭ做輪換郵箱，并附加以一定的控制邏輯。當(dāng)郵箱一側(cè)的宿主向第一片ＲＡＭ寫入數(shù)據(jù)時，郵箱另一側(cè)的宿主可從第二片ＲＡＭ中讀數(shù)據(jù)；當(dāng)郵箱一側(cè)的宿主需要向第二片ＲＡＭ寫入數(shù)據(jù)時，郵箱另一側(cè)的宿主可又從第一片ＲＡＭ中讀數(shù)據(jù)。如此反復(fù)完成數(shù)據(jù)的交換過程，中間總線的切換由硬件控制邏輯來保證。這種方式克服了方案２不能有ＲＡＭ兩側(cè)的宿主同時占用ＲＡＭ的缺點，能實時地交換數(shù)據(jù)，但控制邏輯較為復(fù)雜。

在本接口卡中，由于ＲＡＭ一方面要及時存放兩路激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)，一方面又要隨時準(zhǔn)備ＰＣ機來獲取數(shù)據(jù)，完全有可能發(fā)生ＰＣ機在讀ＲＡＭ中某一路激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的同時板卡必須接收另一路激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)的情況，故而方案２顯然不行。而方案３的控制邏輯相對復(fù)雜而且芯片多，占用面積大。所以第一方案是最佳選擇。我們采用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７１３４雙端口ＲＡＭ作為系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)存儲區(qū)，容量為４ＫＢ[３]。

板卡與ＩＳＡ總線的接口模塊采用ＡＬＴＥＲＡ公司的現(xiàn)場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）芯片ＥＦＰ６０１６－１４４來實現(xiàn)。內(nèi)部邏輯的構(gòu)造采用ＡＬＴＥＲＡ公司的硬件描述語言ＡＤＨＬ程序來實現(xiàn)。ＡＤＨＬ是一種模塊化的高級語言，它特別適合于描述復(fù)雜的組合邏輯、組運算和狀態(tài)機、真值表和參數(shù)化的邏輯[４]。

參考ＰＣ機中ＩＯ端口使用情況可知，ＰＣ機中一般均為用戶板卡的使用留有端口，如２Ｅ０Ｈ～２ＥＦＨ段和３００Ｈ～３０ＦＨ這一段均是用戶擴展板卡可使用的ＩＯ端口地址。故本通信卡中狀態(tài)寄存器使用２Ｅ２Ｈ，控制寄存器使用２Ｅ３Ｈ，２Ｅ０Ｈ作為共享ＲＡＭ中的數(shù)據(jù)讀寫端口，２Ｅ１Ｈ作為數(shù)據(jù)讀寫時的地址預(yù)置端口。各端口指向的寄存器各位的意義如下：

·狀態(tài)讀取端口 （地址：２Ｅ２Ｈ）

Ｄ０：Ｌ１－ＤＡＴＡ，雷達(dá)１的數(shù)據(jù)有效；

Ｄ１：Ｌ２－ＤＡＴＡ，雷達(dá)２的數(shù)據(jù)有效；

Ｄ２：１９６－ＢＵＳＹ，板卡ＣＰＵ正忙；

Ｄ３：恒為１

Ｄ４：恒為１

Ｄ５：Ｌ１－Ｗ－ＡＣＫ，Ｃ１９６已收到ＰＣ機寫入的雷達(dá)１的數(shù)據(jù)；

Ｄ６：Ｌ２－Ｗ－ＡＣＫ，Ｃ１９６已收到ＰＣ機寫入的雷達(dá)２的數(shù)據(jù)；

Ｄ７：恒為１。

·控制端口 （地址：２Ｅ３Ｈ）

Ｄ０：Ｌ１－ＡＣＫ，ＰＣ機對Ｌ１－ＤＡＴＡ的應(yīng)答信號；

Ｄ１：Ｌ２－ＡＣＫ，ＰＣ機對Ｌ２－ＤＡＴＡ的應(yīng)答信號；

Ｄ２：Ｌ１－ＷＲ，ＰＣ機已對板卡寫入雷達(dá)１的控制信號；

Ｄ３：Ｌ２－ＷＲ，ＰＣ機已對板卡寫入雷達(dá)２的控制信號；

Ｄ４：ＷＡＫＥ－ＯＵＴ，ＰＣ機給板卡ＣＰＵ的喚醒信號；

Ｄ５：恒為０；

Ｄ６：ＰＣ－ＲＥＳＥＴ，ＰＣ機對板卡的復(fù)位信號；

Ｄ７：恒為０。

·地址預(yù)置端口 （地址：２Ｅ１Ｈ，）

Ｄ７～Ｄ４：恒為０；

Ｄ３～Ｄ０：為板卡ＲＡＭ的１２位地址總線中的高４位，板卡ＲＡＭ的低八位地址初始值為００Ｈ。

·數(shù)據(jù)讀寫端口（地址：２Ｅ０Ｈ）

ＰＣ機從該端口讀雷達(dá)數(shù)據(jù)或?qū)懤走_(dá)命令。

2.3 接口卡資源分配及ＰＣ機命令

板卡上４Ｋ的數(shù)據(jù)共享ＲＡＭ的存儲區(qū)分配如下：

００００Ｈ～０９ＦＦＨ：共２．５ＫＢ容量，為串口Ｉ的接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)；

０Ａ００Ｈ～０ＥＦＦＨ：共１．２ＫＢ容量，為串口ＩＩ的接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)；

０Ｆ００Ｈ～０Ｆ８０Ｈ：共１２８Ｂ容量，為串口Ｉ的發(fā)送命令存儲區(qū)；

０Ｆ８１Ｈ～０ＦＦＦＨ：共１２８Ｂ容量，為串口ＩＩ的發(fā)送命令存儲區(qū)。

板卡能接收并處理的命令有三種：

外設(shè)初始化命令格式如下：

接收數(shù)據(jù)加窗處理命令如下：

接收數(shù)據(jù)平滑處理命令如下：

所有命令都是０１Ｈ有效，００Ｈ則無效。

2.4 板卡與雷達(dá)的握手通信協(xié)議

板卡與雷達(dá)的握手通信協(xié)議共分以下五個步驟：

·設(shè)定板卡自身的通訊波特率為９６００；

·向雷達(dá)發(fā)送啟動安裝模式的命令，并等待雷達(dá)應(yīng)答數(shù)據(jù)返回。

·向雷達(dá)發(fā)送命令，設(shè)置雷達(dá)的通訊波特率為５００Ｋｂｐｓ；

·設(shè)置板卡自身的通訊速率為５００Ｋｂｐｓ；

·向雷達(dá)發(fā)送命令，設(shè)置其為“連續(xù)發(fā)送測試數(shù)據(jù)模式”，并等待雷達(dá)應(yīng)答數(shù)據(jù)返回。

此后雷達(dá)便開始以一定的時間周期將測試數(shù)據(jù)以５００Ｋｂｐｓ的通訊速率發(fā)送至板卡。

協(xié)議中具體的命令字節(jié)格式等跟雷達(dá)型號有關(guān)，篇幅所限，在此不再說明。

3 接口卡工作過程

ＰＣ機上電后，板卡自動復(fù)位并通過“ＩＤＬＰＤ ＃２”指令進(jìn)入掉電工作方式。當(dāng)激光雷達(dá)將要被初始化時，ＰＣ機通過將控制端口寄存器的Ｄ４位置１來“喚醒”板卡工作。然后向?qū)?yīng)串口命令區(qū)寫入雷達(dá)初始化命令，板卡將根據(jù)命令中雷達(dá)類型執(zhí)行相應(yīng)的初始化操作。初始化應(yīng)答過程如上所述。

初始化成功后，板卡便開始接收數(shù)據(jù)，接收完后依據(jù)校驗字對數(shù)據(jù)進(jìn)行ＣＲＣ校驗。正確無誤則去掉應(yīng)答數(shù)據(jù)的頭和尾，只剩下總數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（１６ｂｉｔ）和數(shù)據(jù)，并根據(jù)ＰＣ機的要求對雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑或數(shù)據(jù)加窗處理。處理后的數(shù)據(jù)存放在雙口ＲＡＭ的相應(yīng)存儲區(qū)中，然后通過將對應(yīng)的Ｌ－ＤＡＴＡ信號置高告知ＰＣ機前來取數(shù)據(jù)。

ＰＣ機通過查詢端口檢測到雷達(dá)數(shù)據(jù)有效后，即以對應(yīng)的Ｌ－ＡＣＫ信號作為應(yīng)答。然后板卡和ＰＣ機分別撤消各自的信號。ＰＣ機可開始讀取對應(yīng)雷達(dá)的數(shù)據(jù)。當(dāng)ＰＣ機想從板卡共享ＲＡＭ的某一地址開始讀寫數(shù)據(jù)時，先向２Ｅ１Ｈ端口寄存器寫入１２位共享ＲＡＭ地址的高４位，低八位使其自動為零。當(dāng)ＰＣ機讀寫完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)時，通過ＦＰＧＡ構(gòu)造的片內(nèi)計數(shù)器，該ＥＩＳＡ接口能自動將地址加一，指向ＲＡＭ中的下一個字節(jié)單元。這樣，ＰＣ機在讀寫板卡ＲＳ－４２２接收的數(shù)據(jù)時，只需在讀寫之前設(shè)定一次地址，然后就可以連續(xù)不斷地從板卡中讀取成塊的數(shù)據(jù)，從而大大提高了端口傳送數(shù)據(jù)的速度。

同樣，當(dāng)ＰＣ機向板卡寫入命令時，除向?qū)?yīng)串口命令區(qū)寫入命令外，置位相應(yīng)的Ｌ－ＷＲ信號，以告知板卡。板卡即以對應(yīng)Ｌ－ＷＲＡＣＫ信號作為應(yīng)答。隨后ＰＣ機和板卡分別撤消各自的信號。板卡取出命令解釋并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

綜上所述，本文所設(shè)計的ＰＣ機與激光測距雷達(dá)高速串行通信接口卡具有如下特點：

·具有雙路高達(dá)５００Ｋｂｐｓ的高速ＲＳ－４２２數(shù)據(jù)通信接口，可靠性好，通信效率極高；

·采用ＦＰＧＡ和雙端口ＲＡＭ做ＩＳＡ總線接口及高速共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，只占用很少的ＰＣ機端口資源就實現(xiàn)了板卡和ＰＣ機高速的數(shù)據(jù)通信和共享；

·劃分了主ＰＣ機和板卡的任務(wù)范圍，擬訂了命令代碼，能做到主從ＣＰＵ一定程度地高速并行處理；

·上層ＰＣ機的接口軟件設(shè)計簡單方便，只需在ＷＩＮＤＯＷＳ下開一個線程監(jiān)視板卡的狀態(tài)端口即可，避免了編寫設(shè)備驅(qū)動程序的煩瑣工作。

該接口卡已成功地應(yīng)用在智能自主式移動機器人中主處理機和激光測距雷達(dá)的通信方面，取得了滿意的效果。