基于DSP和FPGA的磁浮列車同步485通信方式的研究

0 引言

　　在高速磁浮交通系統(tǒng)中，車載測(cè)速定位單元對(duì)車輛的位置和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將位置和速度信號(hào)通過無(wú)線電系統(tǒng)傳送至地面上的牽引控制系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)，以用于長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)牽引的反饋控制及車輛運(yùn)行的指揮和安全防護(hù)。測(cè)速定位單元是牽引和運(yùn)控系統(tǒng)閉環(huán)控制的核心和關(guān)鍵。

　　測(cè)速定位單元緊鄰懸浮電磁鐵及長(zhǎng)定子繞組和鐵心，處于懸浮磁場(chǎng)和牽引磁場(chǎng)中，電磁環(huán)境非常復(fù)雜，對(duì)其通信設(shè)備的電磁兼容性能提出了很高的要求。另外，為滿足牽引控制系統(tǒng)的需求，測(cè)速定位信號(hào)的精度要求相當(dāng)高。因此，對(duì)測(cè)速定位信號(hào)傳輸?shù)乃俣取?shí)時(shí)性及可靠性都有非常高的要求。

1 同步485的實(shí)現(xiàn)方法

　　考慮到測(cè)速定位單元的工作環(huán)境及通信功能需求，在選擇其與車載無(wú)線電系統(tǒng)之間的通信方式時(shí)，經(jīng)過分析和比較，決定采用傳輸速率較高的同步通信方式，并使用屏蔽性能較好的雙絞線實(shí)現(xiàn)RS-485平衡型差分傳輸。

　　1.1 接口設(shè)計(jì)及通信協(xié)議

　　測(cè)速定位單元與車載無(wú)線電控制單元之間的通信接口關(guān)系如圖1所示。車載無(wú)線電控制單元為主控方，車輛測(cè)速與定位單元為受控方。通信雙方均由收發(fā)器和控制器構(gòu)成，收發(fā)器之間采用RS-485同步串行接口方式，每個(gè)接口有4對(duì)差分線。

圖1 通信接口關(guān)系示意圖

　　圖1中，CLK為時(shí)鐘信號(hào)，ANF為無(wú)線電請(qǐng)求信號(hào)，UEF為門控信號(hào)，DATA為數(shù)據(jù)信號(hào)。車輛測(cè)速定位單元每20ms向無(wú)線電控制單元發(fā)送一次數(shù)據(jù)，傳輸速率為512kbps。為了防止信號(hào)干擾的小脈沖，ANF信號(hào)的寬度為10個(gè)CLK信號(hào);在ANF信號(hào)變?yōu)榈托盘?hào)后，等待10個(gè)CLK信號(hào)寬度后，UEF才開始跳變?yōu)橛行АNF、UEF、DATA信號(hào)均在CLK的上升沿變化，在無(wú)信號(hào)傳輸時(shí)，UEF、DATA、ANF均為低電平，時(shí)鐘信號(hào)保持傳輸。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用左移方式，即先傳高位，后傳低位。信息幀格式如表1所示：

　　表1 信息幀格式

1.2 同步485的收發(fā)器實(shí)現(xiàn)

　　在本文所論述的通信系統(tǒng)中，在車輛測(cè)速定位單元及車載無(wú)線電控制單元雙方均采用Xilinx公司的XC2S100作為通信的收發(fā)器，模擬同步485的發(fā)送與接收時(shí)序。同步485的FPGA設(shè)計(jì)主要是基于Verilog 硬件描述語(yǔ)言，所使用的EDA工具包括ISE（含其內(nèi)部集成工具）、Modelsim。

　　（1）時(shí)鐘及定時(shí)信號(hào)的的產(chǎn)生：

　　對(duì)于車載無(wú)線電控制單元需要產(chǎn)生512k速率的時(shí)鐘信號(hào)與20ms一次的ANF（無(wú)線電請(qǐng)求）信號(hào)。另外，對(duì)于該單元在串行接收定位數(shù)據(jù)時(shí)其接收時(shí)鐘應(yīng)為512k（波特率時(shí)鐘）的16倍，即8M。因此，分頻器在同步485通信方式中得到廣泛應(yīng)用。

　　1） 偶數(shù)分頻較為簡(jiǎn)單，只需設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，待計(jì)數(shù)至分頻數(shù)的二分之一時(shí)使分頻后的時(shí)鐘電平翻轉(zhuǎn)即可;奇數(shù)分頻較為復(fù)雜，因?yàn)橛?jì)數(shù)器不能對(duì)非整數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，需使用一定的算法進(jìn)行處理。對(duì)奇數(shù)分頻模塊進(jìn)行功能仿真后的波形如圖2所示：

圖2 分頻模塊仿真波形