原标题：一种采用PCI 软核的轴角数据采集系统

　摘要： 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 cos θ 和KY Eo sin θ .在振幅表达式中，只有sin θ 和cos θ 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tan θ 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.

　　2 PCI 接口设计

　　PCI 接口采用Altera 公司的Megacore 宏单元PCI_MT32实现.PCI_MT32是一个32位主.从方式的PCI接口功能模块，支持33 MHz 和66 MHz 的总线时钟.

　　PCI_MT32 的功能框图如图3 所示，由两部分功能组成，一部分与PCI 总线相连接，包括PCI Address/DataBuffer（地址数据总线）以及PCI Target Control（PCI从方式）控制信号，这些信号的功能与PCI总线的接口协议的规范相同，另一部分与局部总线相连接，包括LocalTarget Address/Data/Command/Byte Enable寄存器.LocalTarget Control 寄存器，用于传送地址.数据和控制信号.配置寄存器（Configuration registers）可以进行deciceID.vendor ID等参数的配置.

　　设计PCI 的方法如下：在MAX+PLUSⅡ中，调入PCI_MT32 宏单元后，根据数据采集板的功能和需要，设置PCI_MT32的参数表如下：

　　3 WDM驱动程序设计

　　PCI 总线接口板驱动程序的设计采用CompuwareNumega公司的DriverStudio软件[9],其设计步骤如下：

　　（1）启动DriverWorks 出现Driver Wizard 的向导对话框，首先输入轴角数据采集板驱动程序的文件名：

　　MPCI;（2）选择文件的类型，选择其中的WDM 项，表示生成WDM类型文件.

　　（3）选择接口板的类型以及填写Device ID和Vend-er ID.在接口板类型项中选择PCI.Device ID和Vend-er ID是设备标识符和销售商标识符，要与PCI接口板中的一致，因此填写“0004”和“1172”作为Device ID和VenderID,Subsystem ID和Revision ID项采用缺省值.

　　由上面的步骤产生的WDM 驱动程序的框架代码（Mpci.dsw）需要添加代码，才能完成读.写和控制功能.在VC 中打开Mpci.dsw,可以看到它是由两部分组成：一个是用于生成驱动程序的MPCI文件，一个是用于测试驱动程序的TEST-MPCI文件.因为PCI接口板的功能是读取数据，需要添加如下的“读取”控制代码：

　　程序中的I.ReadSize（）=4是指每次读取的字节数是4,即每次读32 位数据，PULONG pBuffer=（PULONG）I.

　　BufferedReadDest（）表示通过缓冲区来读写IO.修改好的程序经过编译后，生成Mpci.inf和Mpci.sys文件，存放在sysi386 的目录下.当把PCI接口板插入计算机后，重新启动计算机，系统显示找到新硬件，按照提示将Mpci.inf和Mpci.sys文件装入.

　　该采集卡用于LabWindows/CVI 的虚拟仪器中，在LabWindows/CVI中调用驱动程序的方法如下：

　　图4是显示的采集数据波形，由波形图可以测出轴角编码数据采集系统能够实现实时采集.

　　4 结语

　　本文讨论了基于PCI总线的高速轴角数字采集系统，实现对轴角量的高速采集.采用FPGA 设计PCI接口，将接口电路.存贮器及轴角时序转换控制集成于一个芯片，具有集成度高及实现方式灵活的特点.本采集卡用于轴角虚拟仪器系统，试验表明采用PCI总线的轴角采集卡的数据采集速率能够达到27 r/s,数据传输速率132 MB/s,优于ISA总线接口的采集板.