一种应用于闸位计的SENT接口设计范文

摘要：设计了一种用于闸位计的单边沿半字节传输（SENT）接口，该接口一方面可以减少闸位计的布线，另一方面减少采集器IO口的占用数量。接口采用低功耗可编程逻辑器件CPLD实现。经过逻辑仿真，实际测试该接口设计正确。

关键词：闸位计，单边沿半字节传输协议（SENT），可编程逻辑器件  

闸位计是水利行业的常用仪表，闸位计通常有机械码盘型和光电旋转编码器。机械码盘型闸位计通常采用12位并行格雷码输出，光电旋转编码器通常采用SSI（同步串行接口）输出。12位并行格雷码要求采集单元有多个IO口，SSI接口要求采集单元提供高速编码时钟。还用一类通过微控制器将机械码盘型并行接口或光电旋转编码器SSI接口转换成RS485接口的闸位计。在较大的闸门控制现场通常有多个闸位需要测量，这就要求采集设备具有更多的IO口，或者多个SSI接口。对于采用RS485接口的闸位计，采集器通常按照轮询方式采集各个闸位［1－2］。单边沿半字节传输（SingleEdgeNibbleTransmission）协议简称SENT协议，是美国汽车工程师学会（SAE）制定的，旨在提供更精确有效并且低成本的电机控制解决方案。相比于模拟信号输出和PWM输出方式，基于SENT协议的电机控制是一种可以有效降低成本、节省线束、节省插针结头的低成本方案，具有很好的EMC特性，并且能传输故障代码从而使传感器系统具有很强的故障诊断能力［3－5］。SENT协议采用单向传输，仅需要一根信号线就能传输一个传感器的物理量信息和故障代码。鉴于SENT协议的优势，本文设计一种将传统闸位计转换成SENT协议的接口装置。

1SENT协议

SENT协议是一种点对点的单向从传感器到控制器的协议，控制器不需要同步信号。传感器信号以一串脉冲来传送，脉冲下降沿之间时长表示信号的大小。传感器上电后立即发送数据，接收机不需要发送查询信号。一个SENT帧包括同步头、传感器状态、6个半字节数据、CRC校验字段。除同步头外，SENT报文按照半字节传送。半字节传送的时间单位是时钟。SENT协议规定时钟周期在3～10μs之间。SENT报文中每一个半字节被编码成一个正脉冲，脉宽大小取决于半字节的数值。半字节为0，正脉宽7个时钟，半字节数值每增加1，正脉宽增加一个时钟，因此最大正脉宽时间是22个时钟。正脉冲之间采用固定5个时钟的负脉冲间隔。图1中a、b显示的是0和15的半字节SENT脉冲波形。同步头由51个时钟长度的正脉冲表示［3］。

2CPLD实现的闸位计SENT接口

SENT帧格式设计如表1。同步头按照SENT协议规定产生。SENT帧帧中的传输的闸位计状态仅考虑正常／故障2种情况，用0值表示闸位计正常，8值表示闸位计有故障。数据1对应二进制闸位值最高位4比特G11－G8，数据2对应二进制闸位值中间位4比特G7－G4，数据3对应二进制闸位值最低位4比特G3－G0。接着后面的两个半字节分别设计为数据1和数据2的逻辑反，最后一个半字节是一个减计数器，从15到0循环减小。表1用于闸位计的SENT帧设计CPLD逻辑功能如图2所示，可划分为格雷码译码模块、同步字段发生模块、闸位计状态发生模块、半字节填充模块、CRC校验模块、选择器模块、脉冲逻辑发生模块以及系统控制逻辑模块。格雷码译码模块由一组异或门的组合逻辑构成，12位并行格雷码闸位值经译码得到12位并行二进制码闸位值。这12位二进制码按照每4比特一组分为3个半字节，作为SENT帧的数据1、数据2和数据3。同步字段发生模块是一个6比特的常数44。闸位计状态发生模块根据闸位计的状态产生4比特数据0（正常）或者8（故障）。半字节填充模块包括一组产生闸位值最高8比特的逻辑反相器和一个4比特减计数器，用于填充SENT帧中闸位数据值后面的3个半字节，即数据1的反、数据2的反以及减计数值。CRC校验模块产生帧的校验值。选择器在系统控制逻辑模块的控制下选择同步字段模块的输出、闸位计状态发生模块输出、12比特二进制闸位值、半字节填充模块的输出以及CRC校验模块的输出之一作为随后的脉冲逻辑发生模块的输入。脉冲逻辑发生模块先产生5个时钟的低电平，然后根据6比特输入的值产生比输入值多7的时钟数的高电平。以上所有模块在系统控制逻辑模块下控制。CRC校验采用多项式是x4＋x3＋x2＋1，初始种子为0101。CRC校验模块采用如下图3所示电路实现。开始校验前寄存器预置成CRC3＝0CRC2＝1CRC1＝0CRC0＝1，数据从Data端输入，经过24比特时钟后从4个寄存器取出4比特校验结果［CRC3CRC2CRC1CRC0］。图3SENT帧4比特CRC计算电路

3仿真与测试

选用Intel公司MaxII系列CPLD，在EDA环境下对逻辑进行仿真，波形如图4a所示。图中显示了6个半字节的数据和它们的CRC校验结果，数据0xFFF00E的CRC校验结果是0x04，数据0xFFF00D的CRC校验结果是0x07，相应的SENT帧输出显示在随后一行，可以观察到帧同步头、状态、数据以及校验字段对应的波形，经测量逻辑正确。仿真正确后将逻辑载入CPLD中，使用RigolDS6104示波器对CPLD输出SENT信号波形进行测量，如图4b所示。实验中时钟为250kHz，即时钟周期是4μs。低电平持续时间5个时钟，占用时间20μs。同步头正脉冲占用51个时钟，约200μs。图中显示的波形是状态正常，数据为0xFFF00E，相应的校验字是0x04产生的波形。为了测量所设计的正确性，对所产生的SENT帧进行解码还原出闸位值显示。测试方案如图5a所示。使用AVR单片机接收SENT信号进行解码，并将转换值上报给上位机进行存储展示。AVR单片机解码使用它具有的外部脉冲捕获功能，对收到的SENT信号中邻近的下降沿时间间隔计数，根据计数值得到高电平时间，从而对SENT进行解码恢复闸位信息。测试中让格雷码闸位计匀速转动，SENT解码结果由上位机不间断显示。实验使用的是南京水利水文自动化研究所的12位格雷码闸位计，图5b是在上位机上显示的闸位值解码结果，闸位从0开始均匀增加，当达到最大值4095后变为0重新开始。图5闸位计SENT接口测试方案(a)和测试结果（b）

4结束语

本文设计了一个用于并行格雷码闸位计的SENT接口转换装置，采用低功耗CPLD实现。经过仿真和实际测试，证明该SENT接口逻辑正确。使用SENT接口后大大减少闸位计现场布线以及采集器IO口的占用。

参考文献

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［3］SAEinternationalsurfacevehicleinformationreportJ2716．SENT－Singleedgenibbletransmissionforautomotiveappli-cations[S]．2010

［4］马楠，吴长坤．基于SENT协议的有刷直流电机控制系统设计［C］∥第九届全国信号和智能信息处理与应用学术会议，2015：275－278

［5］黄鹏，杜克奎，荣锋，等．基于自适应SENT协议的电机控制系统设计［J］．天津工业大学学报，2016，35（2）：83－88

作者：花再军 黄凤辰 陈钊 李建霓 单位：河海大学计算机与信息学院