一种采用PCI软核的轴角数据采集系统

　　研究一种基于PCI软核的轴角编码数据采集系统，实现伺服系统角度位置量的实时测控。采用FPGA器件实现PCI接口逻辑。FIFO存贮单元及轴角转换控制逻辑，采用旋转变压器-数字转换模块实现高速轴角转换，并设计了相应地WDM驱动程序。采集板应用于LabWindows的测控系统中，数据采样速率达到27 r/s，数据传输速率达到132 MB/s.

　　0引言

　　在工业控制伺服设备中，实现角度位置量的高精度实时测量和控制是关键性的技术。轴角转换模块是一种角度量/数字转换器，其功能是将旋转变压器及自整角机的模拟信号转换为数字信号，与普通的A/D编码相比，轴角编码采用正、余信号进行编码，抗干扰能力强及转换速度快。随着FPGA技术的发展，在FPGA上能够实现PCI接口。存贮器及逻辑控制功能。由于FPGA具有灵活的可编程性的优点，PCI接口可以依据插卡功能进行最优化，而不必实现所有的PCI功能，这样可以节约系统的逻辑资源，实现紧凑的系统设计。本文介绍采用轴角转换器及Altera公司的FPGA器件实现角度量高速采集的PCI接口板的方法。

　　1系统硬件设计

　　轴角数据采集卡主要由轴角转换器件（RDC转换器）。FPGA器件EPF10K30组成。其功能框图如图1所示，输入的旋转变压器的正弦。余弦信号经 RDC转换器转换为数字量，输出精度为14位；FPGA实现PCI总线接口功能以及控制逻辑功能，内部主要由PCI_MT32宏单元及FIFO存贮器组成。

　　

　　RDC转换器实现旋转变压器信号到数字的转换，其工作原理是旋转变压器输出的正。余弦信号幅度调制信号，角度量信息包含在正弦波的幅度里，并定义：

　

　　式中VX（t）和VY（t）代表正弦。余弦信号，其振幅分别为KX Eo cosθ和KY Eo sinθ。在振幅表达式中，只有sinθ和cosθ变化；基准振幅Eo和增益因数KX ，KY都是常数。

　　在交流信号中，正。余弦信号幅度之比载送角度量信息，即式（1）与式（2）之比：

　　

　　由式（3）中的正切函数tanθ得到角度量。在RDC转换器中，采用连续跟踪式转换方式，其转换时序如图2所示，其中“BUSY”是转换器“忙”信号，“DATA”是数据信号。当“BUSY”信号为高电平时，转换器处于跟踪转换状态，数据信号“DATA”处于不稳定的变化状态；当“BUSY”信号为低电平时，表示转换结束，数据信号“DATA”处于稳定状态，可以进行读取操作。为了实现对角度量的连续采集，根据转换器的时序关系，用FPGA设计一个 FIFO存贮器，用忙信号的下降沿触发保存数据。EPF10K30片内带有12 288位的存贮单元，可以由用户设计成ROM.RAM或FIFO型存贮器。利用参数化双时钟FIFO宏单元LPM_FIFO_DC，设计数据宽度（LPM_WIDTH）为14位，存贮数据量（LPM_NUM-WORDS）为64的双时钟FIFO存贮器，由于数据的读。写由时钟的上升沿控制，所以转换器的忙信号经反向后作为写入时钟信号（wrclock），读时钟（rdclock）。读。写请求信号及清除信号，由计算机通过PCI接口控制。