光电编码器通信：基于FPGA的高速BiSS协议设计

“寄存器模式-致远电子 pca9511—热插拔型i2c与smbus总线缓存器数据手册” 在电子工程中，I2C（Inter-Integrated Circuit）和SMBus（System Management Bus）是两种常见的串行通信协议，用于微控制器和其他设备之间的低速通信。PCA9511是一款热插拔型的I2C/SMBus总线缓存器，它支持高速通信，并且在系统中起到关键的接口和管理作用。 1. **读数模式** 在读数模式下，PCA9511能够以高达10 Mb/s的通信波特率工作。这种模式下，Master Access (MA)和Slave Line (SL)的帧结构是关键。MA的REQ信号的①～②时间长度必须小于timeoutSENS参数，这样才能被编码器识别为读数模式。在每个MA时钟的上升沿，SL会返回对应的数据位。考虑到实际应用中的总线延时，如长距离导线传输和接口电平转换芯片，SL的响应可能会有延迟，这可以通过调整采样时刻来避免影响通信的准确性。如果编码器在处理内部采集和转换时无法立即响应读数请求，SL会产生延迟的start位，即SL3的波形，这种情况下数据处理的延时为④～⑨时间长度。 2. **寄存器模式** 在寄存器模式下，通信波特率相对较低，通常适用于如EEPROM这类存储器的读写操作，其正常工作上限波特率为250 kbps。在这种模式下，MA的REQ位时间长度需大于timeoutSENS，以区分于读数模式。寄存器地址序列包含3位ID（编码器编号）、7位ADR（编码器地址）、1位WNR（读写标志位）和4位CRC（校验位）。CRC用于确保数据传输的正确性，通过高低占空比同步输出时钟和数据。 3. **FPGA在BiSS协议通信中的应用** BiSS（Bidirectional Serial Synchronous）协议是一种用于高速通信的协议，尤其适用于绝对位置式光电编码器。与I2C和SMBus相比，BiSS协议提供了更快的通信速度（例如，10 Mb/s），更低的误码率，更强的工业环境适应性以及更低的系统成本。一个基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）的BiSS协议通信模块设计可以实现快速的数据读取，比如在4.2 μs内读取一次光电编码器数据，这比其他常见协议快5倍以上。这种模块通常使用Verilog HDL编写，以Cyclone I系列FPGA为基础，实验证明，该模块工作稳定，通信速度快。 PCA9511缓存器在I2C和SMBus通信中扮演了重要角色，而BiSS协议则提供了一种高效的数据传输方案，特别适用于需要高速和高精度的绝对位置测量应用。FPGA作为可编程逻辑器件，可以灵活地实现这些通信协议，以满足不同系统的需求。