PC机和激光没距雷达双路高速数据通信接口卡

    摘要：阐述了ＰＣ机和激光测距雷达双路高速串行数据通讯接口卡的系统构成。重点介绍了ＲＳ－４２２Ａ高速串行通讯接口及收发控制、接口卡和ＰＣ机通信缓冲区的共享、卡上资源分配等关键性问题。

    关键词：ＲＳ－４２２  高速串行通信  接口卡  双端口ＲＡＭ  ＦＰＧＡ

    在我们智能自主式移动机器人项目的研制中，采用了两路二维激光雷达来完成障碍物检测、路标检测及地图匹配等工作。我们采用的激光雷达均提供了一种ＲＳ－４２２串行通讯接口。雷达通过与ＰＣ机的握手通信完成初始化工作之后，便分别以４０ｍｓ和８０ｍｓ为工作周期将测距结果以５００Ｋｂｐｓ的速率发送至ＰＣ机。ＰＣ机收到每一帧数据后便开始随后的处理工作。工作周期为８０ｍｓ的激光雷达每帧数据长度为８１２字节，工作周期为４０ｍｓ的激光雷达每帧数据长度为４１２字节。

    若采用目前市面上能提供的普通串行数据通信卡来完成ＰＣ机与激光雷达的数据通信有三个缺点：

    ·商用通信卡很少能达到如此高的通讯速率；

    ·商用通信卡只能一个字节一个字节的接收，即使启用卡上的ＦＩＦＯ一次也只能收取１６个字节，这样必然消耗ＰＣ机很多宝贵的数据处理时间；

    ·由于ＰＣ机运行的ｗｉｎｄｏｗｓ９８系统是非任务抢断型的操作系统，在如此高的通讯速率要求下（两路雷达数据同时到来时对ＰＣ机来说瞬时通讯速率为１Ｍｂｐｓ，有时会导致系统丢失一帧数据中的某几个字节，从而使整帧数据成为废帧，影响了系统的可靠工作。

    因此，必须根据应用要求，自行研制ＰＣ机和激光测距雷达双路高速数据通信接口卡。

1 接口卡研制目标和总体方案

    针对激光测距雷达在智能自主式移动机器人中的应用要求，我们对接口卡的设计提出了如下的总体目标：能够顺利地接收并存储最多三帧的两路雷达数据，并按ＰＣ机命令要求，完成一定的简单数据预处理后将结果转送给ＰＣ机，由ＰＣ机做进一步的高级处理。

    根据系统要求，板卡上的ＣＰＵ决定选用８０Ｃ１９６ＫＤ单片机。８０Ｃ１９６ＫＤ是Ｉｎｔｅｌ公司继ＭＣＳ－９６之后的一种高性能１６位单片机，它功能强、速度快、使用方便、抗干扰性能好，在工业控制、智能仪表、家电中都得到了广泛应用[１]。系统总体方案见图１。

2 系统设计中的几项关键技术

2.1 ＲＳ－４２２通讯接口及收发控制

    ＲＳ－４２２Ａ通信接口标准使用单一＋５Ｖ电源供电，是一个平衡型接口。它采用差动发送、差动接收的工作方式，发送和接收电路使用各自独立的平衡驱动器、接收器对，因而排除了各接收器地电势差带来的影响。使用ＲＳ－４２２Ａ接口标准最大通信速率可达１０Ｍｂ／ｓ（对应通信距离１２ｍ），最大通信距离可达１２００ｍ（对应通信速率为１０ｋｂ／ｓ。

    对于５００ｋｂ／ｓ高速的串行通信，靠８０Ｃ１９６ＫＤ自带的串行通信接口已无法承担，必须采用专用的异步串行通信收发器（ＵＡＲＴ）来实现。下面先简要介绍一下系统中采用的ＴＩ公司的ＵＡＲＴ产品１６Ｃ５５０Ｃ。

    ＴＩ公司生产的异步收发器（ＵＡＲＴ）ＴＬ１６Ｃ５５０Ｃ是ＴＬ１６Ｃ４５０的升级，它的主要功能与ＴＬ１６Ｃ４５０完全相同，但是它片内多了一块１６个字节的先进先出（ＦＩＦＯ）存储部件，用于缓解高速通信场合下ＣＰＵ的繁忙程度。当片内的ＦＩＦＯ被激活时，最多允许在ＦＩＦＯ中存储１６个字节作为缓冲。为提高ＣＰＵ读数据的速度，该片支持ＤＭＡ操作。

    １６Ｃ５５０Ｃ在外设或ＭＯＤＥＭ接收到串行数据时能自动完成串并转换并存储，在收到ＣＰＵ发来的数据时能自动完成并串转换并发送。在ＵＡＲＴ工作过程中ＣＰＵ能随时查询到ＵＡＲＴ此时的工作状态。它最高可支持１Ｍｂｐｓ的串行通讯速率[２]。

    ＲＳ－４２２接口通讯部分原理图见图２。

    差动发送器采用ＳＮ７５１７４，差动接收器则采用ＳＮ７５１７５。由于系统要求的通信速度很高，因此一般的光电隔离器件如ＴＬＰ５２１系列不能满足要求，而应采用高速光耦。美国Ｇｅｎｅｒａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司生产的高速光电耦合器６Ｎ１３７，由磷砷化镓发光二极管和单片光敏集成检测电路组成。通过光敏二极管接收信号并经内部高增益放大器把信号放大后，由集电极开路门作为输出。该器件隔离电压高，速度快，共模抑制性强，完全能胜任高速通讯工作。

    另外，为提高系统的抗干扰性，除了采取高速光电隔离以外，对每一路高速通讯口均采用了一个电源隔离模块，这样即使在外部通讯受到强干扰甚至短路的情况下，也能保证计算机的绝对安全。

    激光测距雷达的数据由ＴＬ１６Ｃ５５０Ｃ接收后，向８０Ｃ１９６ＫＤ发出数据有效信号，由８０Ｃ１９６ＫＤ来取走其缓冲区内的数据。

2.2 接口卡和ＰＣ机通信缓冲区的共享

    接口卡和ＰＣ机共享ＲＡＭ的实现方式一般有以下三种方案：

    · 采用双端口ＲＡＭ，该方式速度高，应用方便，适用于共享数据区两侧需要频繁高速地交换数据的场合，但成本稍高；

    ·采用单口ＲＡＭ，并附加以一定的控制逻辑以保证某一时刻ＲＡＭ的总线只和一个宿主相连接，以避免发生总线冲突。这种方式适用于交换数据量较小，次数也不频繁的场合，尤其是不能有ＲＡＭ两侧的宿主同时要占用ＲＡＭ的情况；

    ·采用两片单口ＲＡＭ做轮换邮箱，并附加以一定的控制逻辑。当邮箱一侧的宿主向第一片ＲＡＭ写入数据时，邮箱另一侧的宿主可从第二片ＲＡＭ中读数据；当邮箱一侧的宿主需要向第二片ＲＡＭ写入数据时，邮箱另一侧的宿主可又从第一片ＲＡＭ中读数据。如此反复完成数据的交换过程，中间总线的切换由硬件控制逻辑来保证。这种方式克服了方案２不能有ＲＡＭ两侧的宿主同时占用ＲＡＭ的缺点，能实时地交换数据，但控制逻辑较为复杂。

    在本接口卡中，由于ＲＡＭ一方面要及时存放两路激光雷达的数据，一方面又要随时准备ＰＣ机来获取数据，完全有可能发生ＰＣ机在读ＲＡＭ中某一路激光雷达数据的同时板卡必须接收另一路激光雷达的数据的情况，故而方案２显然不行。而方案３的控制逻辑相对复杂而且芯片多，占用面积大。所以第一方案是最佳选择。我们采用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７１３４双端口ＲＡＭ作为系统的共享数据存储区，容量为４ＫＢ[３]。

    板卡与ＩＳＡ总线的接口模块采用ＡＬＴＥＲＡ公司的现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）芯片ＥＦＰ６０１６－１４４来实现。内部逻辑的构造采用ＡＬＴＥＲＡ公司的硬件描述语言ＡＤＨＬ程序来实现。ＡＤＨＬ是一种模块化的高级语言，它特别适合于描述复杂的组合逻辑、组运算和状态机、真值表和参数化的逻辑[４]。

    参考ＰＣ机中ＩＯ端口使用情况可知，ＰＣ机中一般均为用户板卡的使用留有端口，如２Ｅ０Ｈ～２ＥＦＨ段和３００Ｈ～３０ＦＨ这一段均是用户扩展板卡可使用的ＩＯ端口地址。故本通信卡中状态寄存器使用２Ｅ２Ｈ，控制寄存器使用２Ｅ３Ｈ，２Ｅ０Ｈ作为共享ＲＡＭ中的数据读写端口，２Ｅ１Ｈ作为数据读写时的地址预置端口。各端口指向的寄存器各位的意义如下：

    ·状态读取端口 （地址：２Ｅ２Ｈ）

    Ｄ０：Ｌ１－ＤＡＴＡ，雷达１的数据有效；

    Ｄ１：Ｌ２－ＤＡＴＡ，雷达２的数据有效；

    Ｄ２：１９６－ＢＵＳＹ，板卡ＣＰＵ正忙；

    Ｄ３：恒为１

    Ｄ４：恒为１

    Ｄ５：Ｌ１－Ｗ－ＡＣＫ，Ｃ１９６已收到ＰＣ机写入的雷达１的数据；

    Ｄ６：Ｌ２－Ｗ－ＡＣＫ，Ｃ１９６已收到ＰＣ机写入的雷达２的数据；

    Ｄ７：恒为１。

    ·控制端口 （地址：２Ｅ３Ｈ）

    Ｄ０：Ｌ１－ＡＣＫ，ＰＣ机对Ｌ１－ＤＡＴＡ的应答信号；

    Ｄ１：Ｌ２－ＡＣＫ，ＰＣ机对Ｌ２－ＤＡＴＡ的应答信号；

    Ｄ２：Ｌ１－ＷＲ，ＰＣ机已对板卡写入雷达１的控制信号；

    Ｄ３：Ｌ２－ＷＲ，ＰＣ机已对板卡写入雷达２的控制信号；

    Ｄ４：ＷＡＫＥ－ＯＵＴ，ＰＣ机给板卡ＣＰＵ的唤醒信号；

    Ｄ５：恒为０；

    Ｄ６：ＰＣ－ＲＥＳＥＴ，ＰＣ机对板卡的复位信号；

    Ｄ７：恒为０。

    ·地址预置端口 （地址：２Ｅ１Ｈ，）

    Ｄ７～Ｄ４：恒为０；

    Ｄ３～Ｄ０：为板卡ＲＡＭ的１２位地址总线中的高４位，板卡ＲＡＭ的低八位地址初始值为００Ｈ。

    ·数据读写端口（地址：２Ｅ０Ｈ）

    ＰＣ机从该端口读雷达数据或写雷达命令。

2.3 接口卡资源分配及ＰＣ机命令

    板卡上４Ｋ的数据共享ＲＡＭ的存储区分配如下：

    ００００Ｈ～０９ＦＦＨ：共２．５ＫＢ容量，为串口Ｉ的接收数据存储区；

    ０Ａ００Ｈ～０ＥＦＦＨ：共１．２ＫＢ容量，为串口ＩＩ的接收数据存储区；

    ０Ｆ００Ｈ～０Ｆ８０Ｈ：共１２８Ｂ容量，为串口Ｉ的发送命令存储区；

    ０Ｆ８１Ｈ～０ＦＦＦＨ：共１２８Ｂ容量，为串口ＩＩ的发送命令存储区。

    板卡能接收并处理的命令有三种：

    外设初始化命令格式如下：

    接收数据加窗处理命令如下：

    接收数据平滑处理命令如下：

    所有命令都是０１Ｈ有效，００Ｈ则无效。

2.4 板卡与雷达的握手通信协议

    板卡与雷达的握手通信协议共分以下五个步骤：

    ·设定板卡自身的通讯波特率为９６００；

    ·向雷达发送启动安装模式的命令，并等待雷达应答数据返回。

    ·向雷达发送命令，设置雷达的通讯波特率为５００Ｋｂｐｓ；

    ·设置板卡自身的通讯速率为５００Ｋｂｐｓ；

    ·向雷达发送命令，设置其为“连续发送测试数据模式”，并等待雷达应答数据返回。

    此后雷达便开始以一定的时间周期将测试数据以５００Ｋｂｐｓ的通讯速率发送至板卡。

    协议中具体的命令字节格式等跟雷达型号有关，篇幅所限，在此不再说明。

3 接口卡工作过程

    ＰＣ机上电后，板卡自动复位并通过“ＩＤＬＰＤ ＃２”指令进入掉电工作方式。当激光雷达将要被初始化时，ＰＣ机通过将控制端口寄存器的Ｄ４位置１来“唤醒”板卡工作。然后向对应串口命令区写入雷达初始化命令，板卡将根据命令中雷达类型执行相应的初始化操作。初始化应答过程如上所述。

    初始化成功后，板卡便开始接收数据，接收完后依据校验字对数据进行ＣＲＣ校验。正确无误则去掉应答数据的头和尾，只剩下总数据字节数（１６ｂｉｔ）和数据，并根据ＰＣ机的要求对雷达扫描数据进行数据平滑或数据加窗处理。处理后的数据存放在双口ＲＡＭ的相应存储区中，然后通过将对应的Ｌ－ＤＡＴＡ信号置高告知ＰＣ机前来取数据。

    ＰＣ机通过查询端口检测到雷达数据有效后，即以对应的Ｌ－ＡＣＫ信号作为应答。然后板卡和ＰＣ机分别撤消各自的信号。ＰＣ机可开始读取对应雷达的数据。当ＰＣ机想从板卡共享ＲＡＭ的某一地址开始读写数据时，先向２Ｅ１Ｈ端口寄存器写入１２位共享ＲＡＭ地址的高４位，低八位使其自动为零。当ＰＣ机读写完一个字节的数据时，通过ＦＰＧＡ构造的片内计数器，该ＥＩＳＡ接口能自动将地址加一，指向ＲＡＭ中的下一个字节单元。这样，ＰＣ机在读写板卡ＲＳ－４２２接收的数据时，只需在读写之前设定一次地址，然后就可以连续不断地从板卡中读取成块的数据，从而大大提高了端口传送数据的速度。

    同样，当ＰＣ机向板卡写入命令时，除向对应串口命令区写入命令外，置位相应的Ｌ－ＷＲ信号，以告知板卡。板卡即以对应Ｌ－ＷＲＡＣＫ信号作为应答。随后ＰＣ机和板卡分别撤消各自的信号。板卡取出命令解释并执行相应的操作。

    综上所述，本文所设计的ＰＣ机与激光测距雷达高速串行通信接口卡具有如下特点：

    ·具有双路高达５００Ｋｂｐｓ的高速ＲＳ－４２２数据通信接口，可靠性好，通信效率极高；

    ·采用ＦＰＧＡ和双端口ＲＡＭ做ＩＳＡ总线接口及高速共享数据缓冲区，只占用很少的ＰＣ机端口资源就实现了板卡和ＰＣ机高速的数据通信和共享；

    ·划分了主ＰＣ机和板卡的任务范围，拟订了命令代码，能做到主从ＣＰＵ一定程度地高速并行处理；

    ·上层ＰＣ机的接口软件设计简单方便，只需在ＷＩＮＤＯＷＳ下开一个线程监视板卡的状态端口即可，避免了编写设备驱动程序的烦琐工作。

    该接口卡已成功地应用在智能自主式移动机器人中主处理机和激光测距雷达的通信方面，取得了满意的效果。