1、SSI信号读取方案设计
SSI（SynchronousSerialInterface）全称是同步串行接口，全双工式工作方式，是一种带有数据帧同步的数据通信协议[1.主要应用在工业控制领域，尤其在高精度绝对值编码器传感器测量应用领域，作为一种实现较早的通信协议，许多国外公司都推出了具有SSI同步串行通信接口的绝对值编码测量传感器，例如美国的MTS公司RP型位移测量传感器，如图1所示，在测量控制领域，该位移传感器所采用的SSI协议相比于其他的通信协议，SSI协议具有接线简单，只需要四根传输线通信、传输速度快、采用差分方式传输抗干扰、高精度高分辨率的特点。
但通常具有SSI协议的传感器都没有现成匹配的数据读取设备，因此本文提出了利用CPLD和单片机来协同处理SSI数据，实现对SSI信号的读取。本文设计的SSI信号读取方案框图如图2.MTS位移传感器具有SSI信号输出端，SSI协议的CLK时钟信号和DATA数据信号为差分方式进行传输。
传输到“终端”后MAX490芯片将CLK、DATA差分信号转换成单端信号输入到CPLD中，CPLD中定义有脉冲时钟、逻辑控制等功能，数据在CPLD中由串行数据转换成并行数据，缓存起来等待单片机的读取，CPLD在单片机控制下，分批次每次并行八位读取数据，最后通过单片机的串口UART发送到上位机上处理分析。
2、CPLD 采集 SSI 信号
SSI信号是通过差分方式进行传输的，主要由同步差分时钟信号CLK+、CLK-和同步差分数据信号DATA+、DATA-，最后还有电源和地，这样传输最大的优点是信号传输过程中提高了抗干扰的能力，接线简单，系统的可靠性得到提高，如图3所示的是SSI的通信协议，T为脉冲时钟信号周期，tm为单稳态触发时间，tp为完整的数据帧之间的传输时间间隔。
当同步差分时钟信号与数据信号都保持在高电平状态时，为SSI通信的空闲时段；当SSI工作时，同步差分时钟信号开始有了脉冲，在第一个脉冲的下降沿阶段触发位移传感器中的编码器，其开始载入数据，其之后在时钟脉冲信号的上升沿编码器送出数据DATA，数据是以格雷码形式一位一位地传输，高位在前，低位在后，当传输完所有的数据位之后，时钟脉冲回到高电平，数据信号也相应回到高电平，一个数据帧传输结束。数据通过差分方式在线缆中传输，n是传输位数，传输位数有24、25、26位几种方式，实际使用25位传输方式。
同步差分时钟信号与数据信号在位移传感器与CPLD之间是以差分形式传输的，而CPLD端口接受两者的信号为单端信号，所以需要应用差分平衡型收发合一芯片MAX490.将同步差分时钟信号CLK+、CLK-和同步差分数据信号DATA+、DATA-装换成单端信号，如图4所示是差分转单端的转换电路。
MAX490采用5V供电，内置有一个接收器和一个驱动器，驱动器输入端DI为CPLD的时钟脉冲信号CLK输入端，Z、Y分别是时钟脉冲信号的差分形式输出端，图4下半部分是DA-TA信号转换电路，接收器输出端RO连接CPLD的数据信号DATA，A、B端连接位移传感器的SSI输出，作为接收器的同相和反相输入端，差分数据信号DATA+、DATA-之间的R1电阻是接收器收入端匹配电阻，起到差分线路阻抗匹配的作用。
单端DATA信号由CPLD来采集，CPLD的功能有脉冲计数器、串行数据转并行数据寄存器、收发驱动器、输出控制等。如图5所示，所使用CPLD具有高阻抗、电可擦除等特点，可用门单元数2500个，宏单元数128个，输入输出线数84个，工作电压为5V。图中画出了部分所使用到的EPM7128管脚，未使用的已省略。TCO-711S4是由5V供电的有源晶体振荡器，相比无源晶振，可以给CPLD提供更加精确的GCLK1全局时钟信号，保证了逻辑时钟的准确度。CS为片选信号，由单片机给定选中CPLD工作就绪，START是脉冲时钟CLK开始信号，高电平时有效，END为所采集的25位数据并口转换结束完成状态指示，高电平是正在转换，低电平时转换完成，A1A0是地址译码，分别代表着四个8位数据的地址，由单片机控制地址译码来读取。脉冲时钟CLK是CPLD主时钟分频后得到250kHz的时钟脉冲后给传感器，脉冲时钟每发出一个时钟上升沿，传感器就会输出一个DATA数据。发送给传感器SSI通信时钟脉冲将25位数据DATA采集到并分批次转换成8位，缓存到内部定义的寄存器中，等待刷新和单片机的随时读取。CPLD中的脉冲时钟分频功能、串并转换功能、逻辑控制功能等在quartus中用Verilog描述这些硬件功能并调用Modelsim仿真结果，确定CPLD功能完好。
3、单片机并行读取
由单片机控制CPLD并行读取EPM7128相应寄存器中的数据，如图6所示是AT89C52并行读取CPLD寄存器中的数据电路图，单片机有5V供电，由五个0.1μF的非极性电容进行滤波，充当了电池的作用，使5V的电源更加稳定。单片机将P3.6口置高电平时，时钟脉冲CLK启动工作，P3.4口置CS为低电平时，CPLD开始采集转换数据，当END低电平时转换完成，P3.2和P3.3口控制A1A0地址，也就是CPLD中四个八位并行数据的地址，单片机每次读取八位数据，分四次将一帧数据读取完，A1A0地址为“11”时，单片机由DO~D7并口读取低八位数[]；A1A0地址为“10”时，单片机读取次低八位数；A1A0地址为“01”时，单片机读取次高八位数；A1A0地址为“00”时，单片机读取次高八位数。
这样一帧数据就此读取完成，可在单片机里进行算法处理，为从串口的发送做准备。下面是有关单片机在程序中如何处理这4个字节数的算法部分代码回，其中unsignedint数据类型有SSIH和SSIL，unsignedlongint数据类型有SSIHH、SSIHHH：
j=SSIL&OxOf；//取低位数的低8位
k=（SSIL&OxfO）>>4；//取低位数的高8位
q=SSIH&OxOf；//取次低位数的低8位
h=（SSIH&OxfO）>>4；//取次低位数的高8位
b=SSIHH&OxOf；//取次高位数的低8位
d=（SSIHH&OxfO）>>4；//取次低位数的高8位
t=SSIHHH&OxOf；//取高位数的低8位
cm=（t*16777216+d*1048576+b*65536+h*4096+q*256+k*16+j）；//十六进制数按照各权位转换成十进制
bm=cm；//cm赋值给bm
wei[0]=（bm/10000000）+0x30；
dm=bm%10000000；
wei[1]=（dm/1000000）+0x30；
fm=dm%1000000；
wei[2]=（fm/ 100000）+0x30；
hm=fm%100000；
wei[3]=（hm/ 10000）+0x30；
jm=hm%10000；
wei[4]=（jm/ 1000）+0x30；
lm=jm%1000；
wei[5]=（lm/ 100）+0x30；
nm=lm%100；
wei[6]=（nm/ 10）+0x30；
qm=nm%10；
wei[7]=qm+0x30；
把 bm拆分成8个字符数，存放到字符型数组里，之后就可以用串口发送函数将相对应的字符数组利用 for循环装载到 SBUF 寄存器中，通过串口发送到上位机上了。
4、结束语
经过整个系统性实验，成功地在上位机上显示了位移传感器的实测数值，实验结果说明了本文提出的各功能模块明确，技术方案可行。
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