一種采用PCI 軟核的軸角數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

研究一種基于PCI軟核的軸角編碼數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)角度位置量的實時測控。采用FPGA器件實現(xiàn)PCI接口邏輯。FIFO存貯單元及軸角轉(zhuǎn)換控制邏輯，采用旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)高速軸角轉(zhuǎn)換，并設(shè)計了相應(yīng)地WDM驅(qū)動程序。采集板應(yīng)用于LabWindows的測控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采樣速率達(dá)到27 r/s，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到132 MB/s.

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(jī)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(jìn)行編碼，抗干擾能力強(qiáng)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(jìn)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(dá)式中，只有sinθ和cosθ變化;基準(zhǔn)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(dāng)“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(dāng)“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(jìn)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(jī)通過PCI接口控制。