基于DSP和FPGA的磁浮列車(chē)同步485通信方式的研究

0 引言

　　在高速磁浮交通系統中，車(chē)載測速定位單元對車(chē)輛的位置和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并將位置和速度信號通過(guò)無(wú)線(xiàn)電系統傳送至地面上的牽引控制系統和運行控制系統，以用于長(cháng)定子直線(xiàn)同步電機牽引的反饋控制及車(chē)輛運行的指揮和安全防護。測速定位單元是牽引和運控系統閉環(huán)控制的核心和關(guān)鍵。

　　測速定位單元緊鄰懸浮電磁鐵及長(cháng)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)境非常復雜，對其通信設備的電磁兼容性能提出了很高的要求。另外，為滿(mǎn)足牽引控制系統的需求，測速定位信號的精度要求相當高。因此，對測速定位信號傳輸的速度、實(shí)時(shí)性及可靠性都有非常高的要求。

1 同步485的實(shí)現方法

　　考慮到測速定位單元的工作環(huán)境及通信功能需求，在選擇其與車(chē)載無(wú)線(xiàn)電系統之間的通信方式時(shí)，經(jīng)過(guò)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(xiàn)實(shí)現RS-485平衡型差分傳輸。

　　1.1 接口設計及通信協(xié)議

　　測速定位單元與車(chē)載無(wú)線(xiàn)電控制單元之間的通信接口關(guān)系如圖1所示。車(chē)載無(wú)線(xiàn)電控制單元為主控方，車(chē)輛測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對差分線(xiàn)。

圖1 通信接口關(guān)系示意圖

　　圖1中，CLK為時(shí)鐘信號，ANF為無(wú)線(xiàn)電請求信號，UEF為門(mén)控信號，DATA為數據信號。車(chē)輛測速定位單元每20ms向無(wú)線(xiàn)電控制單元發(fā)送一次數據，傳輸速率為512kbps。為了防止信號干擾的小脈沖，ANF信號的寬度為10個(gè)CLK信號;在A(yíng)NF信號變?yōu)榈托盘柡?，等?0個(gè)CLK信號寬度后，UEF才開(kāi)始跳變?yōu)橛行?。ANF、UEF、DATA信號均在CLK的上升沿變化，在無(wú)信號傳輸時(shí)，UEF、DATA、ANF均為低電平，時(shí)鐘信號保持傳輸。數據傳輸時(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

　　在本文所論述的通信系統中，在車(chē)輛測速定位單元及車(chē)載無(wú)線(xiàn)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設計主要是基于Verilog 硬件描述語(yǔ)言，所使用的EDA工具包括ISE（含其內部集成工具）、Modelsim。

　?。?）時(shí)鐘及定時(shí)信號的的產(chǎn)生：

　　對于車(chē)載無(wú)線(xiàn)電控制單元需要產(chǎn)生512k速率的時(shí)鐘信號與20ms一次的ANF（無(wú)線(xiàn)電請求）信號。另外，對于該單元在串行接收定位數據時(shí)其接收時(shí)鐘應為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用。

　　1） 偶數分頻較為簡(jiǎn)單，只需設計一個(gè)計數器進(jìn)行計數，待計數至分頻數的二分之一時(shí)使分頻后的時(shí)鐘電平翻轉即可;奇數分頻較為復雜，因為計數器不能對非整數進(jìn)行計數，需使用一定的算法進(jìn)行處理。對奇數分頻模塊進(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