一種采用PCI 軟核的軸角數據采集系統(tǒng)

研究一種基于PCI軟核的軸角編碼數據采集系統(tǒng)，實現伺服系統(tǒng)角度位置量的實時測控。采用FPGA器件實現PCI接口邏輯。FIFO存貯單元及軸角轉換控制邏輯，采用旋轉變壓器-數字轉換模塊實現高速軸角轉換，并設計了相應地WDM驅動程序。采集板應用于LabWindows的測控系統(tǒng)中，數據采樣速率達到27 r/s，數據傳輸速率達到132 MB/s.

0引言

在工業(yè)控制伺服設備中，實現角度位置量的高精度實時測量和控制是關鍵性的技術。軸角轉換模塊是一種角度量/數字轉換器，其功能是將旋轉變壓器及自整角機的模擬信號轉換為數字信號，與普通的A/D編碼相比，軸角編碼采用正。余信號進行編碼，抗干擾能力強及轉換速度快。隨著FPGA技術的發(fā)展，在FPGA上能夠實現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接口可以依據插卡功能進行最優(yōu)化，而不必實現所有的PCI功能，這樣可以節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源，實現緊湊的系統(tǒng)設計。本文介紹采用軸角轉換器及Altera公司的FPGA器件實現角度量高速采集的PCI接口板的方法。

1系統(tǒng)硬件設計

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

RDC轉換器實現旋轉變壓器信號到數字的轉換，其工作原理是旋轉變壓器輸出的正。余弦信號幅度調制信號，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KX ，KY都是常數。

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tanθ得到角度量。在RDC轉換器中，采用連續(xù)跟蹤式轉換方式，其轉換時序如圖2所示，其中“BUSY”是轉換器“忙”信號，“DATA”是數據信號。當“BUSY”信號為高電平時，轉換器處于跟蹤轉換狀態(tài)，數據信號“DATA”處于不穩(wěn)定的變化狀態(tài);當“BUSY”信號為低電平時，表示轉換結束，數據信號“DATA”處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以進行讀取操作。為了實現對角度量的連續(xù)采集，根據轉換器的時序關系，用FPGA設計一個FIFO存貯器，用忙信號的下降沿觸發(fā)保存數據。EPF10K30片內帶有12 288位的存貯單元，可以由用戶設計成ROM.RAM或FIFO型存貯器。利用參數化雙時鐘FIFO宏單元LPM_FIFO_DC，設計數據寬度(LPM_WIDTH)為14位，存貯數據量(LPM_NUM-WORDS)為64的雙時鐘FIFO存貯器，由于數據的讀。寫由時鐘的上升沿控制，所以轉換器的忙信號經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。