基于FPGA的永磁同步伺服控制系统的设计，在FPGA实现了伺服电机的矢量控制， 坐标变换，电流环，速度环，位置环，电机反馈接口，SVPWM。 。 。 都是通过Verilog 语言来实现的，具有很高的研究价值。

引言

在高精度伺服控制系统中，位置反馈的实时性与可靠性直接决定了系统的动态响应与稳态精度。汉森伺服驱动器（HSServoDrv）采用BISS-C（Bidirectional/Serial Synchronous Communication）协议作为其核心编码器接口，该协议以其高速、同步、带 CRC 校验的特性，广泛应用于工业伺服、机器人及 CNC 领域。

基于FPGA的永磁同步伺服控制系统的设计，在FPGA实现了伺服电机的矢量控制， 坐标变换，电流环，速度环，位置环，电机反馈接口，SVPWM。 。 。 都是通过Verilog 语言来实现的，具有很高的研究价值。

本文基于上传的HSServoDrv_merged.txt文件中完整的 HDL 代码，逐行深入解析 BISS-C 接口在 FPGA 中的实现细节，聚焦于关键模块的代码结构、状态机设计、数据流控制与错误处理机制。目标是为 FPGA 开发者、伺服系统工程师提供一份以代码为中心、具备工程实践价值的技术剖析文档。

1. 整体架构：模块化设计思想

从顶层模块SineEncoder_Top.vhd可见，BISS-C 接口被清晰地划分为四个协同工作的子模块：

COMPONENT biss_c_clk -- 时钟生成 COMPONENT biss_c_startup -- 芯片复位（CDM 脉冲） COMPONENT BISS_C_ConfigChip -- 配置与读取调度器 COMPONENT BISS_C_RD -- 数据读取状态机 COMPONENT BISS_C_RegWrite -- 寄存器写入状态机

这种模块化设计不仅便于调试与验证，也体现了良好的工程规范：时序生成、初始化、数据读取、寄存器配置职责分离，降低耦合度。

2. 时钟生成模块 (`biss_c_clk.vhd`)：精准的 5 MHz 时钟

BISS-C 协议要求主设备提供精确的通信时钟。系统主频为 20 MHz，需分频至 5 MHz。

SRL16E_1_U5MHZ_1 : SRL16E_1 generic map (INIT => X"0001") port map ( Q => reg_CLK_5M, A0 => '1', A1 => '1', A2 => '0', A3 => '0', CE => '1', CLK => CLK_I, D => reg_CLK_5M ); CLK_S(0) <= reg_CLK_5M;

此处巧妙利用 Xilinx 的SRL16E 移位寄存器原语，通过配置INIT = X"0001"实现 4 分频。CLKBISS(0)用于数据采样边沿（下降沿），而CLKBISS(1)用于状态机控制边沿，实现时钟域解耦，避免亚稳态风险。

3. 芯片初始化模块 (`biss_c_startup.vhd`)：发送 CDM 脉冲

上电后，编码器需接收一个CDM（Control Data Mode）位以进入通信就绪状态。该模块是一个极简状态机：

process(CLK) begin if rising_edge(CLK) then if RST = '1' then SRD_CS <= S_IDLE; else case SRD_CS is when S_IDLE => if StartPulse = '1' then SRD_CS <= S_DATA; end if; when S_DATA => SRD_CS <= S_FINISH; when S_FINISH => SRD_CS <= S_IDLE; when others => SRD_CS <= S_IDLE; end case; end if; end if; end process; -- 输出 CDM 脉冲 BISS_MA <= '0' when SRD_CS = S_DATA else '1';

逻辑清晰：仅在StartPulse触发时，拉低BISS_MA一个周期，完成初始化。

4. 核心：数据读取模块 (`BISS_C_RD.vhd`)

这是整个 BISS-C 接口最复杂的部分，负责接收35 位数据帧并校验。

4.1 数据帧格式

根据代码注释与常量定义：

constant CON_D_LEN : integer := 35; -- 35-bit data -- | START(1) | CDS(1) | P[11:0](12) | S[12:0](13) | E[1:0](2) | C[5:0](6) |

• START：起始位（固定为 1）
• CDS：Control/Data Status，指示数据有效性
• P：12 位绝对位置
• S：13 位扩展数据（速度或状态）
• E：2 位错误标志
• C：6 位 CRC（实际有效 5 位）

4.2 状态机设计

采用 6 状态 FSM：

constant S_IDLE := "000001"; constant S_REQUEST := "000010"; -- 拉低 MA，请求数据 constant S_SLACK := "000100"; -- 等待从机响应 constant S_DATA := "001000"; -- 接收 35 位数据 constant S_CDM := "010000"; -- 可选发送 CDM constant S_FINISH := "100000";

关键代码片段：

-- 在 CLK_BISS(0) 下降沿采样 BISS_SL process(CLK) begin if rising_edge(CLK) and CLK_BISS(0) = '1' then if SRD_CS(I_DATA) = '1' then reg_data_rcv <= reg_data_rcv(CON_D_LEN-2 downto 0) & BISS_SL; end if; end if; end process;

4.3 CRC 校验

使用BISS_FUNC包中的crcok函数：

-- 在 S_CDM 状态检查 CRC if SRD_CS(I_CDM) = '1' then -- 提取原始数据（不含 CRC） data_no_crc := reg_data_rcv(CON_D_LEN-1 downto 6); -- 计算 CRC crc_calc := crc(data_no_crc, "1000011"); -- 比较 if crc_calc = reg_data_rcv(5 downto 0) then ERROR <= "00"; else ERROR <= "11"; -- 校验失败 end if; end if;

此处多项式"1000011"对应 BISS-C 标准的 5 位 CRC。

5. 寄存器写入模块 (`BISS_C_RegWrite.vhd`)

用于配置编码器内部寄存器（如滤波参数、ID 等）。写入帧结构更复杂：

-- 帧结构：S(1) + CTS(1) + ID(3) + ADR(7) + RW(2) + DATA(8) + CRC(4) + P(1) signal regDataFrame : std_logic_vector(45 downto 0);

5.1 状态机与数据移位

process(clk) begin if rising_edge(clk) then if StartPulse = '1' then -- 拼接完整帧：前14位0 + 帧头 + 数据 + CRC + 停止位 regDataFrame <= Con_14_zero & S & CTS & ChipID & RegAddr & RW & DATA & crc4(...) & P; elsif DonePulse_CDM = '1' then regDataFrame <= regDataFrame(44 downto 0) & '0'; -- 左移输出 end if; end if; end process; CDM <= regDataFrame(45); -- 最高位输出到 BISS_MA

5.2 与读取模块的协同

通过HeartBeat（80 kHz 系统节拍）触发写操作，并等待DonePulse_RD确保读取完成后再写入，避免总线冲突：

U_BissRead: BISS_C_RD PORT MAP ( StartPulse => HeartBeat, DonePulse => DonePulse_RD ); -- 写入启动条件 StartPulse_CDM <= StartPulse when Wreg_CS = S_IDLE else DonePulse_CDM;

6. 编码器初始化与 MicroBlaze 交互 (`Encoder_init.vhd`)

MicroBlaze CPU 通过双端口 RAM 配置编码器：

COMPONENT dpram16x8 PORT ( ADDR_A => bk_MB_MIX_CMD(11 downto 8), -- MicroBlaze 写地址 DIN => bk_MB_MIX_CMD(7 downto 0), -- MicroBlaze 写数据 ADDR_B => ENC_RAM_ADDR, -- BISS 模块读地址 DO_B => ENC_RAM_DATA -- BISS 模块读数据 );

CPU 通过IP0WRxx寄存器写入命令，FPGA 在CMDREG_UPDATA有效时锁存到 RAM，实现异步跨时钟域通信。

7. 速度计算与超速保护

位置数据EncCnt32bR经差分得到速度：

always @(posedge CLK or negedge nRESET) begin if (!nRESET) begin EncMotorSpeedreg32K1 <= 0; end else begin EncMotorSpeedreg32K1 <= EncCnt32bR_SYN - EncCnt32bRImage; end end

随后根据SpeedScaleSel进行符号扩展与限幅：

case(SpeedScaleSel) 8'h0: begin if (EncMotorSpeedreg32K1[31:0] > 32'h00003fff) begin EncMotorSpeedScaleReg <= 16'h3fff; OvrSpdFlt_others <= 1'b1; // 超速故障 end else begin EncMotorSpeedScaleReg <= EncMotorSpeedreg32K1[15:0]; OvrSpdFlt_others <= 1'b0; end end // ... 其他缩放比例 endcase

此设计确保速度反馈在不同电机极对数下均能正确缩放，同时提供硬件级超速保护。

8. 工程实现亮点总结

1. 双时钟边沿利用：CLKBISS(0)采样数据，CLKBISS(1)控制状态机，提升时序裕量。
2. 脉冲展宽机制：对StartPulse进行锁存，确保异步信号能被状态机可靠捕获。
3. 完备的错误处理：CRC 校验、超速检测、通信超时等多重保护。
4. 模块化与可复用性：各功能解耦，BISSCRD与BISSCRegWrite可独立用于其他项目。
5. 与嵌入式 CPU 协同：通过双端口 RAM 实现高效配置通道。

结语

通过对HSServoDrv_merged.txt中 BISS-C 相关代码的逐行剖析，我们看到汉森伺服驱动器在 FPGA 实现上展现了工业级设计的严谨性与高效性。从时钟生成、状态机控制到 CRC 校验、速度计算，每一行代码都服务于高精度、低延迟、高可靠性的核心目标。这份代码不仅是 BISS-C 协议的优秀实现范例，也为其他同步串行接口（如 EnDat、SSI）的 FPGA 开发提供了可复用的设计模式与工程经验。

**作者**：资深 FPGA 与伺服控制工程师
**日期**：2025年4月5日
**适用场景**：伺服驱动器开发、FPGA 编码器接口设计、工业通信协议实现