CN101441060A - 基于可编程逻辑器件的角度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可编程逻辑器件的角度测量系统，基于精密电位器、可编程逻辑器件和高分辨率A/D转换器实现角位置信息的精确测量。该系统采用精密电位器作为角位置反馈元件，通过可编程逻辑器件的时序逻辑完成对电位器反馈电压的A/D采样控制，并对采样结果进行数字滤波、非线性补偿和角度转换，得到高精度的角度测量值，再通过内设的高速串口逻辑将角度值输出到与上位机相连的串行数据总线上，实现角位置量的高精度、高可靠性测量。本发明硬件电路简单，软件设计灵活，具有高精度、高可靠性的角位置反馈测量特性，可广泛用于各种高精度角度测量与伺服机构控制领域。

Description

基于可编程逻辑器件的角度测量系统

技术领域

本发明属于工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种高精度、高可靠性且结构形式紧凑的基于可编程逻辑器件的角度测量系统，可用于伺服控制系统中的角位置信息反馈。

背景技术

在需要对伺服机构角位置进行闭环控制的伺服控制系统中，高精度和高可靠性的角位置测量是伺服控制系统的重要环节。目前，国内伺服控制领域常选用的测角元件包括：电位器、旋转变压器和光电轴角编码器等。与后两种测角元件相比，采用电位器测角具有结构尺寸紧凑，环境适应性强的特点。但由于电位器本身非线性度和系统噪声等的影响，传统的电位器测角系统难于满足高精度的伺服控制系统采集数据的要求，主要问题在于：

(1)电位器受自身非线性度的影响，造成电阻值测量结果与真实值的偏差随电阻测量范围的扩大而增大，当电位器作为测角元件时，该误差会显著影响测角精度。

(2)采用电压反馈方式对电位器的转角进行测量时，由于电阻本身热噪声和系统电路带来的噪声影响，电位器反馈电压漂移较大，采用常规的模拟滤波电路难以滤除该噪声带来的影响，从而造成测角精度的下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在于克服现有技术的不足，提供一种满足伺服控制要求的高精度、高可靠性的电位器测角系统。

本发明解决问题的技术方案为：选用旋转式精密电位器作为测角反馈元件，通过精密电压源对电位器两端供电，从电位器抽头输出电压经输入缓冲电路调理和滤波后，直接进入高分辩率A/D转换器的输入端；选用晶振为可编程逻辑器件提供时钟输入，可编程逻辑器件的时序逻辑控制A/D转换器对电位器反馈电压进行自动循环采样，并对采样结果进行数字滤波、非线性补偿和角度转换，再通过内设的高速串口将转换后的角度反馈信息传给上位机，从而实现伺服机构角度的高精度、高可靠性测量。

所述可编程逻辑器件的内设功能单元包括：A/D时序控制单元、地址发生器、数据存储单元、计数单元、数字滤波单元、非线性补偿单元、数据转换单元、数据缓冲器、高速串口和分频器；其中，A/D时序控制单元由来自分频器的周期性脉冲信号启动，通过A/D控制总线控制A/D转换器进行当前通道的采样，并控制地址发生器为当前采样结果在数据存储单元中产生存储地址；在采样结束后，地址发生器控制数据存储器从A/D数据总线读入当前采样结果并保存在数据存储单元内；计数单元对A/D的采样次数进行计数，若达到预先设定的计数值，则启动数据滤波单元工作；数据滤波单元从数据存储单元中取出所有采样值，并通过数字滤波算法算出滤波后的采样值；滤波后的采样值随即被送入非线性补偿单元，该单元通过非线性补偿算法得出补偿后的采样值；该值随后又被送入数据转换单元，通过对采样值的量化转换，得出对应的角度值；转换后的角度值送入与高速串口相连的数据缓冲器中，高速串口由时钟输入脉冲驱动，自动从数据缓冲器中取数并通过串行数据总线向上位机发送。

所述可编程逻辑器件内的分频器、高速串口、数字滤波单元、数据缓冲器、数据存储单元、非线性补偿单元和数据转换单元均由时钟输入信号作为时序驱动，完成上述工作流程。

所述可编程逻辑器件内执行数据处理的单元包括：数字滤波单元、非线性补偿单元和数据转换单元，上述单元完成一次数据处理的工作流程如下：

1)当收到来自计数单元的数据处理启动信号后，数字滤波单元向数据存储单元发出读命令，并通过数据总线访问数据存储单元内所有数据，对其进行大小比较操作，将最大值和最小值保存在数据存储单元内设的最大、最小值寄存器中；

2)数字滤波单元内的时序逻辑在进行大小值比较的同时将数据存储单元内所有数据进行累加操作，累加结果保存在单元内设的累加值寄存器中，重复上述操作直到存储单元所有访问完毕；

3)数字滤波单元执行的数字滤波算法为：累加值减去最大、最小值的差值除以对应数据个数，得出滤波后的采样值，并将该值输出到数据总线上，同时发出非线性补偿启动信号；

4)当收到非线性补偿启动信号后，非线性补偿单元从数据总线读入滤波后的采样值，以该值为变量，代入基于高次多项式的补偿算式，得到补偿后的采样值，并将该值输出到数据总线上，同时发出数据转换启动信号；

5)数据转换单元在收到数据转换启动信号后，从数据总线读入补偿后的采样值，以该值为变量，代入基于线性方程的角度转换算式，得到转换后的角度值，并将该值输出到数据总线上，同时发出处理结束信号。

根据本发明的系统测角精度取决于两个因素，分别为A/D转换器的分辨率和电位器有效电角度范围内的电位器转角范围与伺服机构转角范围之比，在A/D转换器的分辨率一定的情况下，电位器转角范围与伺服机构转角范围之比越大，系统的测角精度越高；与之对应，在电位器转角范围与伺服机构转角范围之比一定的情况下，提高A/D转换器分辨率也可显著提高系统测角精度。

本发明与现有技术相比较，具有如下特点：

1.在可编程逻辑器件内部实现：反馈电压的采样控制，采样结果保存和对其进行滤波、补偿和角度转换，并将转换的结果通过高速串口输出到串行数据总线送到上位机；采用该设计一方面简化了硬件电路设计，同时也提高了系统的集成度和可靠性。

2.可编程逻辑器件内的所有功能单元会自动顺序循环执行而无需上位机干预，从而简化了上位机的程序设计，并提高了伺服控制系统的实时性。

3.可编程逻辑器件内设的采样结果数字处理环节包括：数字滤波单元、非线性补偿单元和数据转换单元；采用数字滤波单元消除了由回路噪声引起的测量结果不稳定现象，采用非线性补偿单元改善了测量结果的准确度，而数据转换单元的应用则简化了上位机的软件设计，通过采用数字处理技术对采样结果进行准确可靠的处理，保证了系统测量精度和可靠性。

4.设计的角度测量系统在伺服机构结构形式一定的情况下可通过采用高分辨率A/D转换器实现高精度的角度测量，系统的测角精度≤0.01°。

5.设计的角度测量系统采用串行数字接口输出，一方面简化了与上位机的硬件接口设计，另一方面也可以实现角度测量结果的远距离可靠传输。

本发明的硬件电路简单，软件设计灵活，具有高精度、高可靠性的角位置反馈测量特性，可广泛用于各种高精度角度测量与伺服机构控制领域。

附图说明

图1是本发明的角度测量系统组成框图

图2是本发明的输入缓冲电路原理图

图3是本发明的可编程逻辑器件CPLD内部逻辑单元组成框图

图4是本发明的CPLD内部数据处理工作流程图

具体实施方式

参见图1，本发明的角度测量系统由电位器、精密电压源、缓冲电路、A/D转换器、可编程逻辑器件和晶振组成。系统的工作原理为：精密电压源产生的参考电压加在电位器两端为电位器供电，电位器抽头输出电压VIN经缓冲电路调理和滤波后得到电压VOUT。晶振为可编程逻辑器件提供时钟输入，可编程逻辑器件通过A/D控制总线控制A/D对VOUT进行采样，采样结果通过A/D数据总线输出到可编程逻辑器件内。同时，可编程逻辑器件的时序逻辑对存储在其中的一组采样结果进行数据处理，得到的角度转换值通过内设的高速串口发送至串行数据总线上，实现角度测量结果的数字化转换和传输。

如图2所示，系统的缓冲电路原理图，本发明的实施例采用由运算放大器OP4177和电阻电容构成的两级运算放大电路结构。其中，前级由电阻R1、R2、R3和运算放大器组成同相比例运算电路，实现输入电压VIN的同相比例缩小，以满足A/D转换器输入电压范围的需要；后级由电容C1、二极管D1和运算放大器组成带输入电容滤波和反向电压抑制的射极跟随器，实现对前级输出电压噪声的抑制和A/D转换器的输入端保护。

参见图3，本发明采用可编程逻辑器件CPLD，CPLD内设计的逻辑功能单元包括：A/D时序控制单元、地址发生器、数据存储单元、计数单元、数字滤波单元、非线性补偿单元、数据转换单元、数据缓冲器、高速串口和分频器。其中，A/D时序控制单元与A/D控制总线相连，总线包括A/D的转换起始信号CONVST、通道转换结束信号EOC以及忙标信号BUSY，通过对上述三个信号量的判断与控制，即可完成A/D的自动采样控制。A/D时序控制单元的启动信号SG1由分频器产生，每次A/D采样结束，A/D时序控制单元分别向地址发生器和计数单元发出采样结束信号SG2和SG6，地址发生器随后在地址总线上为该次采样结果产生存储地址，并向数据存储单元发出写信号SG3，数据存储单元在SG3有效后，即从A/D数据总线上读入A/D采样结果并保存在对应地址内。地址发生器产生采用累加循环方式为每次转换结果产生存储地址，上述过程在时钟输入CLK有效时会循环进行。同时，计数单元对SG6信号发生的次数进行计数，当计数值达到预先设定值时，计数单元向数字滤波单元发出数据处理启动信号SG4，启动一次数据处理流程。数字滤波单元随后通过地址总线、读信号SG5和数据总线访问数据存储单元中的所有数据，并完成数字滤波算法，输出数字滤波结束信号SG7，并将结果输出到数据总线上。非线性补偿单元检测到SG7信号有效后，对从总线上读入的数据进行非线性补偿算法后，输出非线性补偿结束信号SG8，并将结果输出到数据总线上。数据处转换单元检测到SG8信号有效后，对从总线上读入的数据进行角度转换后，将结果输出到数据总线上，并输出转化结束信号SG9。数据缓冲器为双口RAM结构，在检测到SG9信号有效后，从数据总线读入转换后的角度值，并在其内部将数据宽度转换为8位并依次输出至高速串口，高速串口在CLK信号的驱动下，将每一个发送至数据缓冲器中的数据转换为串行数据，并通过串行数据总线发送至上位机。

参见图4，CPLD内部进行一次数据处理的工作流程为：当收到数据处理启动信号后，数字滤波单元将地址总线设置为存储单元的起始地址，并产生读信号；将从数据存储单元起始地址中读出的数据赋予最大值、最小值和累加值寄存器，同时开始对数据存储单元中所有数据进行遍历访问的操作，找出最大、最小值并保存，算出所有数据的累加结果并保存。执行的数字滤波算法为：累加值值减去最大、最小值所得结果除以对应数据个数，得出滤波后的采样值。将数字滤波的采样结果代入非线性补偿算式，非线性补偿算式为一高次方程，方程每一项的系数通过对实测角度数据进行高次曲线拟合得到。所完成的非线性补偿的采样结果经数据转换算式变为实际角度值，该转换算数为一次线性方程，其系数根据电压角度的不同对应关系得到。

本发明的A/D转换器，采用型号为AD7865高分辨率转换器，AD7865的分辨率为14位，所选用的精密电位器电角度为330°，电位器转角范围与伺服机构转角范围之比为6，实现了系统的测角精度≤0.01°的高精度。

上述描述和附图代表了本发明的优选方案，但是本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离权利要求所界定的范围的情况下进行各种增补、改进和更换，因此，本发明是广泛的。

Claims (5)

1、一种基于可编程逻辑器件的角度测量系统，其特征在于：角度测量系统由电位器、精密电压源、缓冲电路、A/D转换器、可编程逻辑器件和晶振组成，所述电位器为测角反馈元件，晶振为可编程逻辑器件提供时钟输入，通过精密电压源对电位器两端供电，电位器输出电压经缓冲电路调理和滤波后，直接进入A/D转换器的输入端，可编程逻辑器件的时序逻辑控制A/D转换器对电位器反馈电压进行自动循环采样，并对采样结果进行数字处理，得到的角度转换值通过内设的高速串口传给上位机，实现伺服机构角度的高精度、高可靠性测量。

2、根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器件的角度测量系统，其特征在于：所述可编程逻辑器件的内设功能单元包括A/D时序控制单元、地址发生器、数据存储单元、计数单元、数字滤波单元、非线性补偿单元、数据转换单元、数据缓冲器、高速串口和分频器；其中，A/D时序控制单元由来自分频器的周期性脉冲信号启动，通过A/D控制总线控制A/D转换器进行当前通道的采样，并控制地址发生器为当前采样结果在数据存储单元中产生存储地址；在采样结束后，地址发生器控制数据存储单元从A/D数据总线读入当前采样结果并保存在数据存储单元内；计数单元对A/D的采样次数进行计数，若达到预先设定的计数值，则启动数据滤波单元工作；数据滤波单元从数据存储单元中取出所有采样值，通过数字滤波算法算出滤波后的采样值，送入非线性补偿单元，通过非线性补偿算法算出补偿后的采样值；送入数据转换单元进行量化转换，得出对应的角度值；转换后的角度值送入数据缓冲器，高速串口由时钟输入脉冲驱动，自动从数据缓冲器中取数，通过串行数据总线向上位机发送。

3、根据权利要求2所述的基于可编程逻辑器件的角度测量系统，其特征在于：所述可编程逻辑器件的分频器、高速串口、数字滤波单元、数据缓冲器、数据存储单元、非线性补偿单元和数据转换单元均由时钟输入信号作为时序驱动，完成系统采样控制，采样结果保存、滤波、补偿和角度转换程序。

4、根据权利要求2所述的基于可编程逻辑器件的角度测量系统，其特征在于：所述可编程逻辑器件内由数字滤波单元、非线性补偿单元和数据转换单元进行数据处理，上述单元完成一次数据处理的工作流程如下：

1)当收到来自计数单元的数据处理启动信号后，数字滤波单元向数据存储单元发出读命令，并通过数据总线访问数据存储单元内所有数据，对其进行大小比较操作，将最大值和最小值保存在数据存储单元内设的最大、最小值寄存器中；

2)数字滤波单元内的时序逻辑在进行大小值比较的同时将数据存储单元内所有数据进行累加操作，累加结果保存在数据存储单元内设的累加值寄存器中，重复上述操作直到存储单元所有访问完毕；

3)数字滤波单元执行的数字滤波算法为：累加值减去最大、最小值的差值除以对应数据个数，得出滤波后的采样值，将该值输出到数据总线上，同时发出非线性补偿启动信号；

4)非线性补偿单元收到非线性补偿启动信号后，从数据总线读入滤波后的采样值，以该值为变量，代入基于高次多项式的补偿算式，得到补偿后的采样值，并将该值输出到数据总线上，同时发出数据转换启动信号；

5)数据转换单元收到数据转换启动信号后，从数据总线读入补偿后的采样值，以该值为变量，代入基于线性方程的角度转换算式，得到转换后的角度值，并将该值输出到数据总线上，同时发出处理结束信号。

5、根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器件的角度测量系统，其特征在于：当采用高分辨率A/D转换器，并在电位器有效电角度范围内，使电位器转角范围与伺服机构转角范围之比达到6，获得系统的测角精度≤0.01°。

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