FPGA实现的BiSS协议光电编码器高速通信模块

"这篇文章主要介绍了基于FPGA设计的BiSS协议光电编码器通信模块，用于高效读取绝对位置式光电编码器的数据。该模块利用EP1C12Q240-FPGA，通过RS422差分总线接口与Netzer RE252编码器通信，采用高速光耦进行隔离，确保工业环境中的抗干扰性。软件部分使用Quartus II和Verilog HDL编写，底层模块包括读数和读写寄存器，顶层模块包含读数和输出状态机，以控制数据的读取和输出。通过实验对比，BiSS协议相比于起止式异步串行通信协议，如TAMAGAWA-TS5667编码器的通信协议，具有显著的通信速度优势，提升了6.75倍，且可灵活调整数据位数，适应性强，成本较低。" 在本设计中，硬件部分采用了EP1C12Q240-FPGA作为核心处理单元，它能够处理Netzer RE252绝对位置式光电编码器的位置读数任务。通信接口使用RS422，通过MAX3460电平转换芯片实现，并且通过HCPL0630高速光耦来增强系统的抗干扰能力。系统提供了并行、串行和增量式等多种输出接口，方便与上位机进行数据交互。 软件部分，程序开发在Altera的Quartus II环境中，使用Verilog HDL语言，遵循自底向上的设计原则，利用约6000门的资源。设计中包含了读数模块和读写寄存器模块，这些模块依赖于锁相环PLL提供的时钟信号。读数操作在EN信号激活后开始，通过I2C或SMBus总线与编码器交互，读取的数据会被存储在顶层模块的数据缓冲区。顶层模块的两个状态机分别负责读数和输出，它们按照编码器的时序要求操作，读数状态机初始化并不断读取数据，输出状态机则按需从缓冲区读取数据并控制输出时序。 实验结果显示，使用BiSS协议的通信模块在4.2 μs内即可完成14位数据的读取，而采用TAMAGAWA-TS5667编码器的起止式异步串行通信协议则需要30.4 μs。因此，BiSS协议的通信效率显著高于起止式异步协议，且在数据位数增加的情况下，所需时间增加较小，例如从14位增加到17位，BiSS协议仅增加0.3 μs，这展示了BiSS协议在高速通信和灵活性方面的优势。 该设计展示了基于FPGA的BiSS协议通信模块在光电编码器数据传输中的高效性和可靠性，为工业应用提供了更快、更稳定的数据交互方案，同时证明了BiSS协议在成本、速度和误码率方面的优越性。