一種采用PCI軟核的軸角數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　0引言

　　在工業(yè)控制伺服設(shè)備中，實現(xiàn)角度位置量的高精度實時測量和控制是關(guān)鍵性的技術(shù)。軸角轉(zhuǎn)換模塊是一種角度量/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其功能是將旋轉(zhuǎn)變壓器及自整角機的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與普通的A/D編碼相比，軸角編碼采用正、余信號進行編碼，抗干擾能力強及轉(zhuǎn)換速度快。隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，在FPGA上能夠?qū)崿F(xiàn)PCI接口。存貯器及邏輯控制功能。由于FPGA具有靈活的可編程性的優(yōu)點，PCI接口可以依據(jù)插卡功能進行最優(yōu)化，而不必實現(xiàn)所有的PCI功能，這樣可以節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源，實現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)設(shè)計。本文介紹采用軸角轉(zhuǎn)換器及Altera公司的FPGA器件實現(xiàn)角度量高速采集的PCI接口板的方法。

　　1系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　軸角數(shù)據(jù)采集卡主要由軸角轉(zhuǎn)換器件（RDC轉(zhuǎn)換器）。FPGA器件EPF10K30組成。其功能框圖如圖1所示，輸入的旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦。余弦信號經(jīng) RDC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸出精度為14位；FPGA實現(xiàn)PCI總線接口功能以及控制邏輯功能，內(nèi)部主要由PCI_MT32宏單元及FIFO存貯器組成。

　　RDC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器信號到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，其工作原理是旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正。余弦信號幅度調(diào)制信號，角度量信息包含在正弦波的幅度里，并定義：

　　式中VX（t）和VY（t）代表正弦。余弦信號，其振幅分別為KX Eo cosθ和KY Eo sinθ。在振幅表達式中，只有sinθ和cosθ變化；基準振幅Eo和增益因數(shù)KX ，KY都是常數(shù)。

　　在交流信號中，正。余弦信號幅度之比載送角度量信息，即式（1）與式（2）之比：

　　由式（3）中的正切函數(shù)tanθ得到角度量。在RDC轉(zhuǎn)換器中，采用連續(xù)跟蹤式轉(zhuǎn)換方式，其轉(zhuǎn)換時序如圖2所示，其中“BUSY”是轉(zhuǎn)換器“忙”信號，“DATA”是數(shù)據(jù)信號。當“BUSY”信號為高電平時，轉(zhuǎn)換器處于跟蹤轉(zhuǎn)換狀態(tài)，數(shù)據(jù)信號“DATA”處于不穩(wěn)定的變化狀態(tài)；當“BUSY”信號為低電平時，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)信號“DATA”處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以進行讀取操作。為了實現(xiàn)對角度量的連續(xù)采集，根據(jù)轉(zhuǎn)換器的時序關(guān)系，用FPGA設(shè)計一個 FIFO存貯器，用忙信號的下降沿觸發(fā)保存數(shù)據(jù)。EPF10K30片內(nèi)帶有12 288位的存貯單元，可以由用戶設(shè)計成ROM.RAM或FIFO型存貯器。利用參數(shù)化雙時鐘FIFO宏單元LPM_FIFO_DC，設(shè)計數(shù)據(jù)寬度（LPM_WIDTH）為14位，存貯數(shù)據(jù)量（LPM_NUM-WORDS）為64的雙時鐘FIFO存貯器，由于數(shù)據(jù)的讀。寫由時鐘的上升沿控制，所以轉(zhuǎn)換器的忙信號經(jīng)反向后作為寫入時鐘信號（wrclock），讀時鐘（rdclock）。讀。寫請求信號及清除信號，由計算機通過PCI接口控制。

　　2 PCI接口設(shè)計

　　PCI接口采用Altera公司的Megacore宏單元PCI_MT32實現(xiàn)。PCI_MT32是一個32位主。從方式的PCI接口功能模塊，支持33 MHz和66 MHz的總線時鐘。

　　PCI_MT32的功能框圖如圖3所示，由兩部分功能組成，一部分與PCI總線相連接，包括PCI Address/DataBuffer（地址數(shù)據(jù)總線）以及PCI Target Control（PCI從方式）控制信號，這些信號的功能與PCI總線的接口協(xié)議的規(guī)范相同，另一部分與局部總線相連接，包括LocalTarget Address/Data/Command/Byte Enable寄存器。LocalTarget Control寄存器，用于傳送地址。數(shù)據(jù)和控制信號。配置寄存器（Configuration registers）可以進行deciceID.vendor ID等參數(shù)的配置。