摘  要： 以DSP TMS320F28335為核心設計了數(shù)據通信及處理模塊。該模塊采用硬件協(xié)議棧芯片W5300實現(xiàn)與上位機的TCP/IP通信，同時利用雙口RAM實現(xiàn)與電控系統(tǒng)主控板的數(shù)據通信，與主控板通信的實時性由同步時鐘觸發(fā)外部中斷的方式實現(xiàn)。根據誤差補償算法，該模塊可實現(xiàn)對激光跟蹤測量系統(tǒng)所測量的大氣參數(shù)、激光干涉測距、激光絕對測距、方位角和俯仰角信息的誤差補償。
關鍵詞： 激光跟蹤儀；TMS320F28335；W5300；雙口RAM

　便攜式、多功能精密激光跟蹤測量系統(tǒng)可用于超大尺寸空間幾何測量，它具有測量功能多(三維坐標、尺寸、形狀、位置)、測量精度高(±5 μm/m)、測量速度快(動態(tài)測量、采點速率>1 000點/s)、量程大(半徑35 m)、可現(xiàn)場測量(便攜)等特點。測量效率比傳統(tǒng)的大型CMM、經緯儀測量系統(tǒng)和攝影測量系統(tǒng)等提高數(shù)倍[1]。
　數(shù)據通信及處理模塊屬于激光跟蹤儀電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)的作用是系統(tǒng)數(shù)據交換和實時控制。
本文主要介紹激光跟蹤儀電控箱中數(shù)據通信及處理模塊的設計。選用TI公司的浮點型DSP TMS320F28335(以下簡稱F28335)做主控芯片，硬件協(xié)議棧芯片W5300用于實現(xiàn)TCP/IP通信。
1 模塊功能及總體設計
　數(shù)據通信及處理模塊是電控系統(tǒng)的重要組成部分，完成數(shù)據通信、誤差補償及斷光續(xù)接等功能。數(shù)據通信包括與上位機的TCP/IP通信以及與電控系統(tǒng)主控板的數(shù)據通信。圖1為數(shù)據通信及處理模塊的功能示意圖。
激光跟蹤儀數(shù)據通信及處理模塊的組成結構如圖2所示。模塊主要由F28335及其附屬電路、TCP/IP通信模塊以及與主控計算機接口電路組成。F28335作為主控芯片控制W5300與上位機的TCP/IP通信；與主控板的數(shù)據交換是利用雙口RAM實現(xiàn)存儲器共享；外擴SRAM用于數(shù)據緩存；EEPROM保存誤差補償參數(shù)，在程序運行過程中可對其進行讀出和修改操作。

2 模塊實現(xiàn)
2.1 TCP/IP通信的實現(xiàn)
2.1.1 W5300簡介
　W5300是WIZnet公司開發(fā)的具有內部硬件協(xié)議棧的網絡接口芯片，利用該芯片可大大減小硬件接口設計和網絡編程的工作量，實現(xiàn)可靠穩(wěn)定運行的遠程數(shù)據通信系統(tǒng)，可廣泛應用于各種安全檢測、電力系統(tǒng)的測量監(jiān)控、音視頻傳輸、遠程信息傳輸?shù)阮I域[2]。本項目選用WIZnet公司的TCP/IP硬件協(xié)議棧芯片W5300實現(xiàn)TCP/IP通信功能。
　W5300的以下特點使其易于實現(xiàn)與Internet連接[3]：
　(1)W5300內部集成10/100 M以太網控制器、MAC和TCP/IP協(xié)議棧；
　(2)W5300使用方便、穩(wěn)定可靠，廣泛應用于高性能、低成本的Internet嵌入式領域；
　(3)W5300與主機(MCU)采用總線接口，通過直接訪問方式或間接訪問方式，W5300可以很容易地與主機接口，就像訪問SRAM存儲器；
　(4)W5300的通信數(shù)據可以通過每個端口的TX/RX FIFO寄存器訪問。
2.1.2 W5300硬件設計
　將W5300配置為16 bit數(shù)據總線寬度，選擇內部以太網PHY，選擇以太網自動握手模式。W5300與主機接口模式采用直接地址模式。F28335與W5300之間連線有16 bit的數(shù)據線和10 bit地址線，以及/WR、/RD、/CS、 /INT、/RST控制線。初始化硬件時，W5300的各個寄存器和地址映射到F28335的zone6區(qū)。TMS320F28335與W5300的硬件接口如圖3所示。

2.1.3 W5300軟件設計
　F28335控制W5300與上位機的TCP/IP通信。此模塊設置為服務器模式，等待上位機發(fā)送的連接請求。
主機獲取W5300的狀態(tài)有兩種方式，分別為中斷方式和查詢端口狀態(tài)寄存器的方式。中斷方式可以節(jié)省系統(tǒng)資源，在大多數(shù)情況下選用這種方式。使用中斷方式時，需要注意GPIO口鑒定選擇寄存器(GPxQSEL)和鑒定控制寄存器(GPxCTRL)中的QUARPRD位的配置，這兩個寄存器分別配置鑒定需要的采樣次數(shù)和采樣間隔。若采樣次數(shù)或間隔被配置得過大，可能導致主機無法采集到W5300發(fā)送的中斷信號。
2.2與電控系統(tǒng)主控板的通信
　數(shù)據通信及處理模塊與電控系統(tǒng)主控板的通信利用雙口RAM，使它們共享這一段存儲空間。雙口RAM可以用于多處理器接口技術的實現(xiàn)[4]。主控板將采集的數(shù)據存入這段RAM中，數(shù)據通信及處理模塊從中讀回數(shù)據進行處理，并根據處理結果執(zhí)行相應的操作。
　與主控電路板的接口采用自定義總線接口：8 bit數(shù)據線，8 bit地址線，1 kHz同步時鐘，讀使能，寫使能，片選信號，地線。
　將雙口RAM通過兩片雙電壓轉換芯片(16t245)接到F28335的外部擴展接口(XINTF)zone0。需要注意的是，16t245上控制同步時鐘的輸出使能引腳(/OE)要一直接地，使能同步時鐘信號輸出，若與其他接口信號一樣將輸出使能引腳接在片選信號上，會導致F28335無法識別同步時鐘信號。
2.3 誤差補償及誤差補償參數(shù)的載入
2.3.1 誤差補償
　電控系統(tǒng)主控板采集的數(shù)據主要包括大氣參數(shù)、激光干涉測距(IFM)、激光絕對測距(ADM)、方位角和俯仰角。結合激光跟蹤測量系統(tǒng)的內部設備選型和幾何結構，整個激光跟蹤系統(tǒng)的誤差可分為測距誤差和測角誤差兩大類。在影響激光跟蹤儀測量精度的因素中，測角誤差最為顯著，而跟蹤儀部件之間幾何位置不正確則是測角誤差的重要來源[5]。
    對采集的數(shù)據進行誤差補償需要依照一定的流程進行。首先補償大氣參數(shù)，然后補償IFM測量距離和ADM測量距離，最后補償方位角和俯仰角。影響測量數(shù)據的誤差來源如表1所示。
2.3.2 誤差補償參數(shù)的載入
　誤差補償參數(shù)是誤差補償算法表達式中引入的一系列參數(shù)，將其載入外擴EEPROM中。EEPROM中的內容掉電不丟失，且在程序運行過程中可以對其進行讀寫操作，滿足此模塊對誤差補償參數(shù)載入的要求。F28335通過I2C總線與EEPROM連接。
2.4 斷光續(xù)接
　在激光跟蹤儀操作過程中，由于采用跟蹤球實現(xiàn)測量，丟光和擋光會造成斷光現(xiàn)象，斷光時，ADM和IFM均沒有輸出，從而造成測量中斷。當系統(tǒng)恢復跟蹤后，ADM可以很快恢復距離輸出，IFM也可以恢復工作，但后者輸出的距離值實際上不正確，需要對激光干涉設置初始距離。跟蹤頭控制單元需要根據一定的判據輸出清零脈沖，將IFM當前距離值清零，同時將ADM輸出值賦予IFM，作為干涉測距的起始距離，使IFM恢復正常的距離輸出。
　數(shù)據通信及處理模塊的斷光續(xù)接功能就是要在確定恢復跟蹤后，對ADM測得的距離進行誤差補償，用ADM測距值代替IFM測距的基準距離以進行后續(xù)測量。
3 模塊控制程序流程
　模塊的嵌入式程序存儲在主控制芯片F(xiàn)28335中。為了能夠與主控板實時交換數(shù)據，通過1 kHz同步時鐘的上升沿和下降沿觸發(fā)外部中斷4、5。為了避免W5300產生的外部中斷與外部中斷4、5沖突，將F28335獲取W5300狀態(tài)的方式設為查詢端口狀態(tài)寄存器的方式，運行外部中斷4中斷服務程序時進行查詢。外部中斷4的服務程序包含與主控板的數(shù)據通信以及與上位機的TCP/IP網絡通信；外部中斷5的中斷服務程序包含對跟蹤頭測得數(shù)據的誤差補償和協(xié)助跟蹤頭實現(xiàn)斷光續(xù)接功能。在程序初始化部分載入EEPROM中的誤差補償參數(shù)。在程序運行中，若檢測到上位機載入現(xiàn)場校準參數(shù)的命令，則禁止外部中斷4、5，將從上位機讀入的參數(shù)寫入EEPROM中。嵌入式軟件的流程圖如圖4所示。

　本文介紹了激光跟蹤儀數(shù)據通信及處理模塊的軟硬件設計，其中，與上位機的TCP/IP通信以及利用雙口RAM實現(xiàn)與電控系統(tǒng)主控板的數(shù)據通信，已經通過實驗證明了其正確性，以期對研究與開發(fā)精密測量儀器系統(tǒng)提供參考。
參考文獻
[1] 張春富，張軍，唐文彥，等.激光跟蹤儀在大尺寸工件幾何參數(shù)測量中的應用[J].工具技術，2002(5)：26-27.
[2] 鄒依依，郭燦新，黃成軍，等.W5100在DSP遠程以太網數(shù)據通信系統(tǒng)中的應用[J].工業(yè)控制計算機，2008，21(8)：20.
[3] WIZnet Co.， High-performance internet connectivity solution W5300 version 1.1.1[R]. 2008.
[4] MORRISON S B， GIBSON J R. High speed data acquisition system with a dual port RAM microprocessor interface[J]. Microprocessors and Microsystems， 1991： 155-159.
[5] 周維虎，費業(yè)泰，李百源，等.激光跟蹤儀幾何誤差修正[J].儀器儀表學報，2002，23(1)：56.