摘 要： 以DSP TMS320F28335為核心設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)通信及處理模塊。該模塊采用硬件協(xié)議棧芯片W5300實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的TCP/IP通信，同時(shí)利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)與電控系統(tǒng)主控板的數(shù)據(jù)通信，與主控板通信的實(shí)時(shí)性由同步時(shí)鐘觸發(fā)外部中斷的方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)誤差補(bǔ)償算法，該模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)量的大氣參數(shù)、激光干涉測(cè)距、激光絕對(duì)測(cè)距、方位角和俯仰角信息的誤差補(bǔ)償。
關(guān)鍵詞： 激光跟蹤儀；TMS320F28335；W5300；雙口RAM
便攜式、多功能精密激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)可用于超大尺寸空間幾何測(cè)量，它具有測(cè)量功能多(三維坐標(biāo)、尺寸、形狀、位置)、測(cè)量精度高(±5 μm/m)、測(cè)量速度快(動(dòng)態(tài)測(cè)量、采點(diǎn)速率>1 000點(diǎn)/s)、量程大(半徑35 m)、可現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量(便攜)等特點(diǎn)。測(cè)量效率比傳統(tǒng)的大型CMM、經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)和攝影測(cè)量系統(tǒng)等提高數(shù)倍[1]。
數(shù)據(jù)通信及處理模塊屬于激光跟蹤儀電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)的作用是系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和實(shí)時(shí)控制。
本文主要介紹激光跟蹤儀電控箱中數(shù)據(jù)通信及處理模塊的設(shè)計(jì)。選用TI公司的浮點(diǎn)型DSP TMS320F28335(以下簡(jiǎn)稱F28335)做主控芯片，硬件協(xié)議棧芯片W5300用于實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信。
1 模塊功能及總體設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)通信及處理模塊是電控系統(tǒng)的重要組成部分，完成數(shù)據(jù)通信、誤差補(bǔ)償及斷光續(xù)接等功能。數(shù)據(jù)通信包括與上位機(jī)的TCP/IP通信以及與電控系統(tǒng)主控板的數(shù)據(jù)通信。圖1為數(shù)據(jù)通信及處理模塊的功能示意圖。
激光跟蹤儀數(shù)據(jù)通信及處理模塊的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。模塊主要由F28335及其附屬電路、TCP/IP通信模塊以及與主控計(jì)算機(jī)接口電路組成。F28335作為主控芯片控制W5300與上位機(jī)的TCP/IP通信；與主控板的數(shù)據(jù)交換是利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器共享；外擴(kuò)SRAM用于數(shù)據(jù)緩存；EEPROM保存誤差補(bǔ)償參數(shù)，在程序運(yùn)行過(guò)程中可對(duì)其進(jìn)行讀出和修改操作。
2 模塊實(shí)現(xiàn)
2.1 TCP/IP通信的實(shí)現(xiàn)
2.1.1 W5300簡(jiǎn)介
W5300是WIZnet公司開(kāi)發(fā)的具有內(nèi)部硬件協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，利用該芯片可大大減小硬件接口設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)編程的工作量，實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于各種安全檢測(cè)、電力系統(tǒng)的測(cè)量監(jiān)控、音視頻傳輸、遠(yuǎn)程信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域[2]。本項(xiàng)目選用WIZnet公司的TCP/IP硬件協(xié)議棧芯片W5300實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信功能。
W5300的以下特點(diǎn)使其易于實(shí)現(xiàn)與Internet連接[3]：
(1)W5300內(nèi)部集成10/100 M以太網(wǎng)控制器、MAC和TCP/IP協(xié)議棧；
(2)W5300使用方便、穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于高性能、低成本的Internet嵌入式領(lǐng)域；
(3)W5300與主機(jī)(MCU)采用總線接口，通過(guò)直接訪問(wèn)方式或間接訪問(wèn)方式，W5300可以很容易地與主機(jī)接口，就像訪問(wèn)SRAM存儲(chǔ)器；
(4)W5300的通信數(shù)據(jù)可以通過(guò)每個(gè)端口的TX/RX FIFO寄存器訪問(wèn)。
2.1.2 W5300硬件設(shè)計(jì)
將W5300配置為16 bit數(shù)據(jù)總線寬度，選擇內(nèi)部以太網(wǎng)PHY，選擇以太網(wǎng)自動(dòng)握手模式。W5300與主機(jī)接口模式采用直接地址模式。F28335與W5300之間連線有16 bit的數(shù)據(jù)線和10 bit地址線，以及/WR、/RD、/CS、 /INT、/RST控制線。初始化硬件時(shí)，W5300的各個(gè)寄存器和地址映射到F28335的zone6區(qū)。TMS320F28335與W5300的硬件接口如圖3所示。
2.1.3 W5300軟件設(shè)計(jì)
F28335控制W5300與上位機(jī)的TCP/IP通信。此模塊設(shè)置為服務(wù)器模式，等待上位機(jī)發(fā)送的連接請(qǐng)求。
主機(jī)獲取W5300的狀態(tài)有兩種方式，分別為中斷方式和查詢端口狀態(tài)寄存器的方式。中斷方式可以節(jié)省系統(tǒng)資源，在大多數(shù)情況下選用這種方式。使用中斷方式時(shí)，需要注意GPIO口鑒定選擇寄存器(GPxQSEL)和鑒定控制寄存器(GPxCTRL)中的QUARPRD位的配置，這兩個(gè)寄存器分別配置鑒定需要的采樣次數(shù)和采樣間隔。若采樣次數(shù)或間隔被配置得過(guò)大，可能導(dǎo)致主機(jī)無(wú)法采集到W5300發(fā)送的中斷信號(hào)。
2.2與電控系統(tǒng)主控板的通信
數(shù)據(jù)通信及處理模塊與電控系統(tǒng)主控板的通信利用雙口RAM，使它們共享這一段存儲(chǔ)空間。雙口RAM可以用于多處理器接口技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[4]。主控板將采集的數(shù)據(jù)存入這段RAM中，數(shù)據(jù)通信及處理模塊從中讀回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作。
與主控電路板的接口采用自定義總線接口：8 bit數(shù)據(jù)線，8 bit地址線，1 kHz同步時(shí)鐘，讀使能，寫(xiě)使能，片選信號(hào)，地線。
將雙口RAM通過(guò)兩片雙電壓轉(zhuǎn)換芯片(16t245)接到F28335的外部擴(kuò)展接口(XINTF)zone0。需要注意的是，16t245上控制同步時(shí)鐘的輸出使能引腳(/OE)要一直接地，使能同步時(shí)鐘信號(hào)輸出，若與其他接口信號(hào)一樣將輸出使能引腳接在片選信號(hào)上，會(huì)導(dǎo)致F28335無(wú)法識(shí)別同步時(shí)鐘信號(hào)。
2.3 誤差補(bǔ)償及誤差補(bǔ)償參數(shù)的載入
2.3.1 誤差補(bǔ)償
電控系統(tǒng)主控板采集的數(shù)據(jù)主要包括大氣參數(shù)、激光干涉測(cè)距(IFM)、激光絕對(duì)測(cè)距(ADM)、方位角和俯仰角。結(jié)合激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)備選型和幾何結(jié)構(gòu)，整個(gè)激光跟蹤系統(tǒng)的誤差可分為測(cè)距誤差和測(cè)角誤差兩大類。在影響激光跟蹤儀測(cè)量精度的因素中，測(cè)角誤差最為顯著，而跟蹤儀部件之間幾何位置不正確則是測(cè)角誤差的重要來(lái)源[5]。
對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償需要依照一定的流程進(jìn)行。首先補(bǔ)償大氣參數(shù)，然后補(bǔ)償IFM測(cè)量距離和ADM測(cè)量距離，最后補(bǔ)償方位角和俯仰角。影響測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差來(lái)源如表1所示。
2.3.2 誤差補(bǔ)償參數(shù)的載入
誤差補(bǔ)償參數(shù)是誤差補(bǔ)償算法表達(dá)式中引入的一系列參數(shù)，將其載入外擴(kuò)EEPROM中。EEPROM中的內(nèi)容掉電不丟失，且在程序運(yùn)行過(guò)程中可以對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，滿足此模塊對(duì)誤差補(bǔ)償參數(shù)載入的要求。F28335通過(guò)I2C總線與EEPROM連接。
2.4 斷光續(xù)接
在激光跟蹤儀操作過(guò)程中，由于采用跟蹤球?qū)崿F(xiàn)測(cè)量，丟光和擋光會(huì)造成斷光現(xiàn)象，斷光時(shí)，ADM和IFM均沒(méi)有輸出，從而造成測(cè)量中斷。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)跟蹤后，ADM可以很快恢復(fù)距離輸出，IFM也可以恢復(fù)工作，但后者輸出的距離值實(shí)際上不正確，需要對(duì)激光干涉設(shè)置初始距離。跟蹤頭控制單元需要根據(jù)一定的判據(jù)輸出清零脈沖，將IFM當(dāng)前距離值清零，同時(shí)將ADM輸出值賦予IFM，作為干涉測(cè)距的起始距離，使IFM恢復(fù)正常的距離輸出。
數(shù)據(jù)通信及處理模塊的斷光續(xù)接功能就是要在確定恢復(fù)跟蹤后，對(duì)ADM測(cè)得的距離進(jìn)行誤差補(bǔ)償，用ADM測(cè)距值代替IFM測(cè)距的基準(zhǔn)距離以進(jìn)行后續(xù)測(cè)量。
3 模塊控制程序流程
模塊的嵌入式程序存儲(chǔ)在主控制芯片F(xiàn)28335中。為了能夠與主控板實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，通過(guò)1 kHz同步時(shí)鐘的上升沿和下降沿觸發(fā)外部中斷4、5。為了避免W5300產(chǎn)生的外部中斷與外部中斷4、5沖突，將F28335獲取W5300狀態(tài)的方式設(shè)為查詢端口狀態(tài)寄存器的方式，運(yùn)行外部中斷4中斷服務(wù)程序時(shí)進(jìn)行查詢。外部中斷4的服務(wù)程序包含與主控板的數(shù)據(jù)通信以及與上位機(jī)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信；外部中斷5的中斷服務(wù)程序包含對(duì)跟蹤頭測(cè)得數(shù)據(jù)的誤差補(bǔ)償和協(xié)助跟蹤頭實(shí)現(xiàn)斷光續(xù)接功能。在程序初始化部分載入EEPROM中的誤差補(bǔ)償參數(shù)。在程序運(yùn)行中，若檢測(cè)到上位機(jī)載入現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)參數(shù)的命令，則禁止外部中斷4、5，將從上位機(jī)讀入的參數(shù)寫(xiě)入EEPROM中。嵌入式軟件的流程圖如圖4所示。
本文介紹了激光跟蹤儀數(shù)據(jù)通信及處理模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，其中，與上位機(jī)的TCP/IP通信以及利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)與電控系統(tǒng)主控板的數(shù)據(jù)通信，已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了其正確性，以期對(duì)研究與開(kāi)發(fā)精密測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)提供參考。
參考文獻(xiàn)
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