引言
VME总线是一种性能优异、并行数据、实时性强、高可靠性且机械性能强的系统总线，可用于多CPU、数据的高速传送、高实时性的场合，基于其各方面优越的性能目前其在实时处理、工业控制机等诸多领域得到了广泛应用。
VME总线接口芯片在国外研究的已经比较成熟，但由于VME总线的结构复杂，在国内的研究还非常有限，目前我国国内通常使用Cypress的VIC64.CY7C964等专用芯片进行VME总线接口的设计，由于价格昂贵且不能根据系统要求灵活配置，使VME总线在工业控制系统的应用受到了限制。
超大规模集成电路技术的发展，尤其FPGA技术的发展，使得在一块可编程芯片上实现整个的嵌入式系统成为可能。FPGA可以快速成品，开发周期短，可修改程序中的错误且造价便宜，因此采用FPGA技术进行总线接口设计成为一种有效解决问题的新办法，有利于推动VME总线在工业控制中的广泛应用。
近些年来，工程技术的不断发展，推动了测量技术的不断革新。同时自动化控制系统的发展，对测量精度的要求越来越高，为满足这些设备的要求，用于测量的器件便将其分辨率提高。SSI接口有时钟和数据两个信号，通过串行方式来传输数据，简化了电路，降低了成本，提高了传输的可靠性。基于以上优点使得SSI接口在工业测量等领域得到了广泛应用。
本文采用FPGA作为核心芯片来采集处理SSI接口传输过来的数据，VME总线作为标准的数据交互接口，实现与上位机的数据交互。VME总线接口可以容纳多组从设备接口，不同的从设备配置不同的地址，主设备通过从设备的地址来实现对不同从设备的读取等操作，其可以方便的实现多组工业设备数据的读入，达到更准确的工业控制的目的。
一、硬件设计
在本文中选用Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA中的性价比高的、有足够容量的EP2C8芯片。按照数据流方向描述，设计流程大致为：VME总线主控通过DTB将四路SSI接口的配置信息写入FPGA寄存器，FPGA按照配置信息输出四路时钟信号，经过电平和光耦之后加到磁致伸缩位移传感器上，磁致伸缩位移传感器在时钟信号的控制下送出位置信号，然后经过光耦和电平转换电路后输入FPGA，在FPGA中实现数据的串并转换、格雷码到二进制码的码制转换，经缓存处理后，按照主设备要求的方式将数据放到DTB，通过DTACK#信号通知主设备读取。
本设计硬件电路可以分为三大部分：一是SSI接口电路，包括光耦隔离电路和电平转换电路；二是FPGA控制系统电路，其由电源电路、时钟电路、配置电路、复位电路等组成；三是VME接口电路，这部分包括电平转换和数据方向控制电路。
SSI电路中选用双沟道集成的高速光耦HCPL0631作为核心隔离器件对SSI的时钟和数据信号做了隔离处理，由于光耦输出信号电平一般最小为4.5V，而输入FPGA的I/O口电压为3.3V，为了实现电平匹配，又对隔离后的信号进行了电平转换，芯片选用AD公司的ADG3301BRU。SSI协议中信号的传输符合RS422电平标准，其输出信号的高电平电压为5V，而从FPGA管脚输出的控制时钟信号为LVTTL电平，高电平电压为3.3V，为了实现信号互联，必须对SSI接口的控制时钟信号进行电平转换，由于有四路SSI接口信号，所以采用了MAXIM公司生产的MAX3030E芯片，该芯片恰好支持四路信号。
二、FPGA逻辑设计
硬件电路主要用来完成数据的采集和传输工作，而数据的处理，总线控制等则通过FPGA内部的逻辑电路实现。FPGA里面的逻辑电路包含很多的模块，包括码制转换模块，数据处理模块等模块，各个模块相互协作来完成电路所要的功能，FPGA内部功能模块总体框架如图1所示：
数据处理模块实现了SSI接口协议，根据输入的数据字位宽，接收串行数据，同时实现数据的串并转换。在接收完一个完整的数据字以后，进入空闲时间，等待下一个数据传输周期。码制转换模块根据输入数据的编码方式决定是否进行码制转换。如果SSI数据的编码方式是格雷码，那么需要进行格雷码到二进制的转换；如果SSI数据的编码方式是二进制，则将输入的二进制码直接输出即可。数据复接模块接收四路数据输出模块的数据，根据通道选择码选择将四路数据中的某路数据输入数据缓存寄存器。
AM值译码模块是VME通信的开始，VME从设备不断扫描AS、IACK以及AM的值，当IACK为高电平，AS为低电平，AM值为0x39的时候，AMselecct信号则变为高电平；当其中一个条件不满足时，AMselecct信号为低电平。其中AM值为0x39时，表示VME总线的寻址方式为24位标准寻址。
地址译码模块用来对VME地址线进行译码，在AM值译码模块的输出AMselect的值为高电平时，启动地址译码工作，如果地址线给出的地址和接口板的地址一致，则地址译码输出Addselect为高电平，这种情况表示接口板被选中，可以和上位机进行通信了。总线主控驱动A01-A31、AM0-AM5、IACK*、LWORD*寻址目标，在AS*下降沿有效。总线主控还要驱动WRITE*为高以完成读操作，也要将DS0*、DS1*驱动为低。目标对地址译码后，确认寻址的是自己，就将数据放入D00-D31.并驱动DTACK*到低。如果总线出错，则驱动BERR*到低。
三、系统测试
本文在测试中，使用的是接口板的第四路通道，编码器为西门子的6FX2001-5FS12磁致伸缩位移传感器，输出的数据为十二位的格雷码，波特率采用500KHz，要写入的配置数据为0xf843（保留位都取为高电平），拨码开关输入的地址位为0x1000.板卡的基地址为0x100000.要读的数据通道地址为0x10000c，测试实现了主机通过VME总线对板卡SSI通道的配置及对磁致伸缩位移传感器输出数据的正确读取，达到了本文初衷。图2为主控从接口板上读取过来的数据波形。
四、结论
该板卡是VME总线的一个3U规格的从设备，完成了主控对SSI通道的配置和数据的传输。本设计的难点在于使用FPGA芯片来实现VME总线协议和SSI接口协议，并完成数据的采集处理和传输。该接口板使用FPGA来实现对VME总线的控制，比起使用专用集成芯片来控制VME总线更有优势，它降低了接口板的设计成本并且提高了其灵活性。为VME总线接口电路设计提供了一个新的思路与方向。
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