摘 要：同步串行接口（SSI）具有速度快、连线简单、抗干扰能力强等优点，在工业控制等领域得到了越来越广泛的应用。一般的工控机上不提供SSI接口，市场上的SSI接口扩展卡很少且价格昂贵。介绍了SSI并行接口模块SSI208P，基于数字量输入/输出扩展卡和SSI208P，给出了一种工控机高速采集多通道SSI光电编码器数据的低成本实现方案，详细阐述了硬件和软件设计方法。
关键词：SSI；光电编码器；工控机；数据采集
SSI（Synchronous Serial Interface）即同步串行接口，具有传输速度快、连线简单、抗干扰能力强等优点，在光电编码器等各种传感器上得到了广泛的应用[1，2]。工控机即工业控制计算机，具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面，工控机以低成本、高性能、高可靠性等优势成为工业控制等领域的主流计算机。
工控机一般不提供SSI接口，很难直接采集SSI接口的编码器等传感器数据。SSI接口转换器多将SSI数据转换成异步串行总线等低速现场总线，这大大限制了数据采集的实时性；市场上也有国外提供PCI或ISA接口的SSI接口卡，但价格昂贵且驱动程序较为复杂。工控机上多配备数字量输入/输出卡。本文采用数字量输入/输出卡控制SSI并行接口模块SSI208P，实现了一种SSI接口的低成本、高速数据采集方法。
1 SSI208P模块介绍
SSI208P模块可将SSI数据高速转换成并行数据，采用DIP28封装，内部集成了SSI同步时钟发生模块、数据串并转换模块、接口控制逻辑模块、输出控制模块以及收发驱动（TTL-RS422电平转换）模块等功能模块，其功能框图如图1所示。
采用SSI208P模块对SSI接口数据的读取操作就变得类似于对A/D、D/A或存储器读取数据的操作，非常简单。SSI208P模块还能将格雷码转换成二进制码。通信速率可配置，当通信速率配置为2 MHz时，对于16位精度的编码器，系统数据更新率不低于100 kHz，可以满足高速伺服控制系统的需求。
SSI208P控制时序如图2所示。CONVST上升沿启动一次SSI编码器数据收发过程。CONVST电平升高后，125 ns内SSI208P模块开始向编码器发送一帧同步时钟脉冲信号，脉冲的个数由编码器的精度决定，同时转换结束管脚EOC变高。发送脉冲期间管脚EOC保持高电平状态，转换结束EOC管脚电平变低后，即可从D0～D7并行读取编码器数据，每次读取八位，由A1、A0控制输出数据高低位，0表示读取最低八位、1表示读取最高八位，例如对于16位编码器只需读取两次（A1、A0分别为00、01），最多可以读取32位数据。编码器并行数据读取结束后将CONVST管脚置低，准备启动下一次转换。
2 硬件设计
数字量输入/输出卡与SSI并行接口模块SSI208P及SSI光电编码器之间的硬件连接原理图如图3所示。图中数字量输入/输出卡扩展了四路SSI编码器。数字量输入/输出接口由研华公司的多功能PCI数据采集卡PCI-1716提供，该采集卡除了提供16路模数转换通道和2路数模转换通道外，还提供了16路数字量输入和16路数字量输出通道[3]。四通道光电编码器为16位格雷码输出格式。接口板上采用了四片SSI208P芯片，SSI时钟速率和编码器数据格式的设置都由接口板完成。PCI-1716的数字量输入端口的信号电气特性为：输入逻辑高电平：2.0～5.25 V；输入逻辑低电平：0.0～0.80 V；输出逻辑高电平：2.4 V（最小）；输出逻辑低电平：0.4 V（最大）。参考SSI208P管脚的电气特性可知，PCI-1716和SSI208P的管脚可以直接连接。
采用PCI-1716的输入端口DI0～DI7连接四片SSI208P的数据线D0-D7，由于SSI208P在没有片选信号的情况下数据线是高阻态的，因此数据线可以共用。PCI-1716的输出端口DO1连接四片SSI208P的启动转换管脚START，可以同时控制四路SSI编码器。PCI-1716的输出端口DO0连接四片SSI208P的地址选择管脚A0，因编码器为16位，A1接地。PCI-1716的四个输出DO2-DO5分别连接四片SSI208P的片选管脚CS。IO卡的四个输入DI9-DI11分别连接四片SSI208P的转换结束指示管脚/END。使用PCI-1716的18个IO口就可以实现四路光电编码器的时序控制和数据采集。
3 软件设计
编程采用Borland C++ Builder，调用PCI-1716的驱动程序操作各输入输出端口，在各输入输出端口上产生满足SSI208P的控制逻辑即可启动转换，采集数据。由图2可以看出SSI208P模块的启动转换控制和数据读取操作比较简单，软件流程如图4所示。
相应的软件代码如下：
static PT_DioReadPortByte ptSsiSta，ptSsiVal；
// 编码器状态和编码器数据结构声明
USHORT SSI_STA，SSI_VAL；
// 编码器的状态和数据变量声明
int SSI_VAL1，SSI_VALL，SSI_VALH；
// 编码器1各数据变量
PT_DioWriteBit Bit_Start， Bit_A0， Bit_CS1， Bit_CS2， Bit_CS3， Bit_CS4；
// 各控制端口变量声明
……
ptSsiVal.port = 0； //端口0用于读取编码器数据
ptSsiVal.value = &SSI_VAL；
ptSsiSta.port = 1； //端口1用于读取编码器状态
ptSsiSta.value = &SSI_STA； Bit_START.port=0； //输出端口0.1位启动转换
Bit_START.bit=1；
Bit_A0.port=0； //输出端口0.0位地址线A0
Bit_A0.bit=0；
……
Bit_START.state=0；//START上升沿启动转换
Bit_START.state=1；
DRV_DioWriteBit（DriverHandle，&Bit_ Start）；
For（int i=0；i<1；i++）；//延时至少125ns
DRV_DioReadPortByte（ DriverHandle，
（LPT_DioReadPortByte）& ptSsiSta）；
while（（ptSsiSta&0x01）！=0） //等待转换结束
DRV_DioReadPortByte（ DriverHandle，
（LPT_DioReadPortByte）& ptSsiSta）；
Bit_CS2. state =1； //片选2-4置高
DRV_DioWriteBit（DriverHandle，&Bit_ CS2）；
……
DRV_DioWriteBit（DriverHandle，&Bit_ CS4）；
Bit_CS1. state =0； //片选1置低
DRV_DioWriteBit（DriverHandle，&Bit_ CS1）；
Bit_A0. state =0； //读取编码器低8位
DRV_DioWriteBit（DriverHandle，&Bit_ A0）；
DRV_DioReadPortByte（ DriverHandle，
（LPT_DioReadPortByte）&ptSsiVal）；
SSI_VALL= SSI_VAL&0xFF；
Bit_A0.state =1； //读取编码器次低8位
DRV_DioWriteBit（DriverHandle，&Bit_ A0）；
DRV_DioReadPortByte（ DriverHandle ，
（LPT_DioReadPortByte）&ptSsiVal）；
SSI_VALH= SSI_VAL&0xFF；
SSI_VAL1= （SSI_VALH<<8）| SSI_VALL；
//数据拼接
……
4 结束语
本文基于SSI并行接口模块SSI208P和数字量输入/输出接口扩展卡，给出了一种工控机高速采集多通道SSI光电编码器数据的低成本实现方案。试验证明，在同步时钟设置为500 kHz的情况下，转换读取四路16位SSI光电编码器的时间小于100 μs，可用于实时性要求很高的应用场合。该方案已经成功运用于某车载武器系统的火控分系统中，运行稳定可靠。
参考文献
[1] 靳红涛， 赵勇进， 陈朝基. 一种SSI接口光电编码器数据并行采集设计方法[J].电子技术， 2008， （5）.
[2] 张子蓬， 王淑青， 刘辉. SSI接口的绝对值角度编码器值的读出方法研究[J]. 工业控制计算机， 2005， （12）.
[3] PCI-1716/1716L安装使用手册[M].
作者简介
靳红涛，博士、高级工程师，从事伺服控制、陀螺稳定技术研究。