利用FPGA和分解器数字转换器简化角度测量

。在具有恒定旋转速度输入的2型伺服回路中，输出数字字连续跟随或跟踪该输入，而无需外部导出转换。

3 RDC典型实例：SD-14621

SD-14621是数据设备公司(DDC)生产的小型低成本RDC。它有两条具备可编程分辨率控制功能的信道。分辨率编程功能允许选择10、12、14或16位模式。此功能允许低分辨率高速跟踪或者更高分辨率支持更高精度。由于其大小、成本、精度与多功能性，此转换器适用于高性能军用、商用及位置控制系统。

器件的运行需要一个+5V电压。转换器有两个对模拟地为±4V电压范围的速度输出(VEL A、VEL B)，可用于替代转速计。为两条信道(/BIT A与/BIT B)提供两个内置测试输出，以指示信号丢失(LOS)。

此转换器由三大部分组成：输入前端、误差处理器和数字接口。前端对于同步器、分解器和直接输入端有所不同。电子Scott-T用于同步器输入，分解器调节器用于分解器输入，而正弦与余弦电压跟随器用于直接输入端。这些放大器可以馈送高精度控制变压器(CT)。CT的另一个输入是16位数字角度ψ，其输出是两个输入之间的模拟误差角度或差分角度。CT采用放大器、交换机、逻辑电路与电容器以查准率执行SINθ COSψ - COSθ SINψ = Sin(θ-ψ)的三角函数计算。

与常规精密电阻器相比，这些电容器按查准率使用，以获得更高精度。另外，这些电容器(与运算放大器一起用作计算元件)进行高速采样，以消除偏移和运算放大器偏差。

DC误差处理进行积分运算，然后得到驱动电压控制振荡器的速度电压。此VCO与速度积分器结合在一起构成递增积分器：一种2型伺服反馈回路。

4 基准振荡器

我们设计中采用的OSC-15802功耗振荡器也是DDC公司提供。此器件适用于RDC、同步器、LVDT和感应式传感器应用。频率与振幅输出可以分别由电容器和电阻器编程。输出频率范围介于400Hz~10kHz之间，输出电压为7Vrms。图4显示了器件的方框图。

馈送到分解器和RDC的振荡器输出用作基准信号。FPGA的I/O电压为3.3V，而RDC的电压为5V。我们采用电压收发器实现两个器件之间的电压兼容。

5 VIRTEX-5 FX30T FPGA与RDC接口

在本设计中采用赛灵思Virtex^®-5 FX30T FPGA 。FPGA的I/O电压为3.3V，而RDC的电压为5V。因此我们采用电压收发器来实现这两个器件之间的电压兼容。通过赛灵思提供的GPIO IP核与FPGA建立内部连接，如图5所示。为了简单起见，图5仅显示一条具有一个分解器接口的信道。

6 器件驱动程序详细说明

在本例中，FPGA采用20MHz的外部输入时钟。此FPGA具有一个运行频率为200MHz的PowerPC 440硬核。RDC的时序图见图6与图7。

根据RDC的时序图，我们开发、测试并验证了实际硬件的功能是否正确。器件驱动程序的实际编码包含在单独的XBD文件中。根据时序图，我们生成了用于回路的所需延迟。在200MHz运行速率下进行处理时，每个计数都对应5纳秒的延迟。

器件驱动程序有三部分编码：RDC初始化、控制信号的生成及从RDC信道A的读取、以及控制信号的生成及从RDC信道B的读取。RDC初始化是设置信号方向和缺省值的阶段。例如，利用以下语句，信号方向将设置为从FPGA“输出”到RDC。

XGpio_WriteReg(XPAR_RESOLUTION_CNTRL_CH_A_

BASEADDR,XGPIO_TRI_OFFSET,0x000);

下一个语句通过写入“0x3”来设置16位分辨率(即：拉高)：

XGpio_WriteReg(XPAR_RESOLUTION_CNTRL_CH_A_

BASEADDR,XGPIO_DATA_OFFSET,0x03);

图8为编码截屏。注：为了简化，我们仅提供一条信道的编码。

我们已经看到，角度传感器可以帮助工程师创造更好的转轮，进而设计出众多更高效的机械装置。分解器是一种尤为有用的角度传感器，只要能够与FPGA正确配合和控制，其就能够帮助工程师打造出无与伦比的机械装置。