CN109828717A - 多个旋转变压器的并行数据采集电路及自动采集方法 - Google Patents
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Abstract
多个旋转变压器的并行数据采集电路及自动采集方法，它涉及多个旋转变压器数据输出的采集电路以及数据输出的自动采集方法。解决同时采集多个旋转变压器的数据输出采用串行数据输出时数据传输速度较慢的问题。采集电路包括多个励磁电源、多个旋转变压器、多个差分滤波电路、多个AD2S80A芯片和一个现场可编程门阵列；AD2S80A的16位并行输出数据挂在同一条数据总线上，连接到现场可编程逻辑器件FPGA的IO管脚上，通过与每个AD2S80A相关的BUSY和ENABLE信号自动采集切换，实现多个独立旋变的16位并行数据信息采集，此方法广泛应用于机器人驱控一体的多轴传感器系统及需要快速采集的多通道并行数据转换领域。
Description
技术领域
本发明涉及多个旋转变压器数据输出的采集电路，本发明还涉及多个旋转变压器数据输出的自动采集方法。
背景技术
机器人的驱控性能决定着机器人的操作和控制性能，随着对机器人系统功耗、体积、成本的约束，机器人的多轴驱控一体技术成为机器人发展的一个重要的方向。多个旋转变压器的数据输出能够为关节电机提供绝对角度信息、转速信息并实现电机的矢量控制，是实现基于旋转变压器的机器人多轴伺服控制系统的核心单元。除此之外，提供的电机端绝对位置信息有助于于机器人实现笛卡儿空间的位置控制、柔顺控制和力控制等。因此能够实现快速数据采集、和同时采集多个旋转变压器的数据输出的方法，必然会在空间机器人、服务型机器人以及特种操作机器人等得到广泛的应用。
但是，目前为了同时采集多个旋转变压器的数据输出，往往采用串行数据输出的电路和方式，采集速度收到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种多个旋转变压器的并行数据采集电路及自动采集方法，以解决同时采集多个旋转变压器的数据输出采用串行数据输出的电路和方式数据传输速度较慢的问题。
多个旋转变压器的并行数据采集电路，它包括多个励磁电源1、多个旋转变压器2、多个差分滤波电路3、多个AD2S80A芯片4和一个现场可编程门阵列FPGA；
励磁电源1：每个励磁电源1连接一个旋转变压器2的励磁绕组以提供励磁电流，同时每个励磁电源1连接一个AD2S80A芯片4，为其提供工作电源；
旋转变压器2：每个旋转变压器2包括一个励磁绕组、铁芯和二个感应绕组；
差分滤波电路3：每个差分滤波电路3的正弦差分信号的两个输入端连接旋转变压器2一个感应绕组的两端，对输入的信号进行差分运算和滤波并输出；每个差分滤波电路3的余弦差分信号的两个输入端连接旋转变压器2另一个感应绕组的两端，对输入的信号进行差分运算和滤波并输出；
AD2S80A芯片4：每个AD2S80A芯片4的两个信号输入端分别连接差分滤波电路3的两路正交信号输出端，对输入的信号进行模/数转换；多个AD2S80A芯片4的十六位并行数据端口连接在一条数据总线上并连接到现场可编程门阵列FPGA的并行数据输入端口；
现场可编程门阵列FPGA：现场可编程门阵列FPGA按照旋转变压器2的个数设置相应个数的数据通道，以分别接收每个AD2S80A芯片4输出的十六位并行数据；每个数据通道的使能信号ENABLE输出端分别连接到一个AD2S80A芯片4的使能信号ENABLE输入端；每个处理单元的状态信号BUSY输入端分别连接一个AD2S80A芯片4的状态信号BUSY输出端。
本发明还提供一种多个旋转变压器的并行数据自动采集方法，它包括下述步骤：一、上电，AD2S80A芯片4输出的状态信号BUSY为高阻，现场可编程门阵列FPGA输出的使能信号ENABLE为高电平，以保证每一个AD2S80A芯片4并行数据输出端口处于高阻状态，防止总线冲突；二、旋转变压器2实时采集转角变化的信号，对采集到的转角变化信号进行差分滤波；三、差分滤波后的转角信号，在AD2S80A芯片4中完成模/数转换，并且使高阻的状态信号BUSY翻转为有效；四、现场可编程门阵列FPGA根据状态信号BUSY的指示，控制相应的AD2S80A芯片4使能信号ENABLE翻转为有效，同时打开并行数据总线中的数据锁存器；五、完成了模/数转换的转角数据通过十六位并行数据总线传递到现场可编程门阵列FPGA中相应的数据通道中。
本发明涉及一种多个旋转变压器基于AD2S80A并行数据输出的数据采集电路及自动采集方法，多个AD2S80A的16位并行输出数据挂在同一条数据总线上，连接到现场可编程逻辑器件FPGA的IO管脚上，通过与每个AD2S80A相关的BUSY和ENABLE信号，自动采集切换，实现多个独立旋变的16位并行数据信息采集，此方法可以广泛地应用于机器人驱控一体的多轴传感器系统以及需要快速采集的多通道并行数据转换领域。本发明具有多个旋转变压器并行数据采集系统能够为关节电机提供绝对角度信息、转速信息并实现电机的矢量控制，是实现基于旋转变压器的机器人多轴伺服控制系统的核心单元。除此之外，提供的电机端绝对位置信息有助于于机器人实现笛卡儿空间的位置控制、柔顺控制和力控制等。因此多个旋变的并行数据输出方法在空间机器人、服务型机器人以及特种操作机器人等得到广泛的应用。
本发明的有益效果是：本发明具有电路结构模块化、高度集成化、能够自动切换采集通道等优点。内置的差分滤波电路可实现信号放大倍数调节，信号滤波截至频率调节，通过BUSY信号编码，可以扩展更多轴位置传感器信息的采集和永磁同步电机的驱动。多轴旋转变压器信息的采集、处理以及电机的驱动集成于一体，实现多轴电机的驱控一体，并可根据主处理器的指令，实现不同的功能。而且电路具有扩展性，可实现四轴或更多轴传感器信息的采集。
附图说明
图1为本发明实施方式一的结构框图；图2是实施方式一中BUSY/ENABLE和并行数据时序框图；图3是FPGA内部逻辑结构框图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的并行数据采集电路包括四个励磁电源1、四个旋转变压器2、四个差分滤波电路3、四个AD2S80A芯片4和一个现场可编程门阵列FPGA；
励磁电源1：每个励磁电源1连接一个旋转变压器2的励磁绕组以提供励磁电流，同时每个励磁电源1连接一个AD2S80A芯片4，为其提供工作电源；
旋转变压器2：每个旋转变压器2包括一个励磁绕组、铁芯和二个感应绕组；
差分滤波电路3：每个差分滤波电路3的正弦差分信号的两个输入端连接旋转变压器2一个感应绕组的两端，对输入的信号进行差分运算和滤波并输出；每个差分滤波电路3的余弦差分信号的两个输入端连接旋转变压器2另一个感应绕组的两端，对输入的信号进行差分运算和滤波并输出；
AD2S80A芯片4：每个AD2S80A芯片4的两个信号输入端分别连接差分滤波电路3的两路正交信号输出端，对输入的信号进行模/数转换；多个AD2S80A芯片4的十六位并行数据端口连接在一条数据总线上并连接到现场可编程门阵列FPGA的并行数据输入端口；
现场可编程门阵列FPGA：现场可编程门阵列FPGA按照旋转变压器2的个数设置相应个数的数据通道，以分别接收每个AD2S80A芯片4输出的十六位并行数据；每个数据通道的使能信号ENABLE输出端分别连接到一个AD2S80A芯片4的使能信号ENABLE输入端；每个处理单元的状态信号BUSY输入端分别连接一个AD2S80A芯片4的状态信号BUSY输出端。
数据自动采集方法，它包括下述步骤：一、上电，AD2S80A芯片4输出高阻状态信号BUSY，现场可编程门阵列FPGA输出的使能信号ENABLE为高电平，以保证每一个AD2S80A芯片4并行数据输出端口处于高阻状态，防止总线冲突；ENABLE信号需要进行上拉。二、旋转变压器2实时采集转角变化的信号，对采集到的转角变化信号进行差分滤波；三、差分滤波后的转角信号，在AD2S80A芯片4中完成模/数转换，并且使高阻的状态信号BUSY翻转为有效；四、现场可编程门阵列FPGA根据状态信号BUSY的指示，控制相应的AD2S80A芯片4使能信号ENABLE翻转为有效，同时打开并行数据总线中的数据锁存器；五、完成了模/数转换的转角数据通过十六位并行数据总线传递到现场可编程门阵列FPGA中相应的数据通道中。本实施方式解决了现有机器人驱动系统集成度低、体积大、成本高等问题，将四个AD2S80A的并行输出的16位数据挂在同一数据总线上，减少了对IO管脚数量的需求，并通过锁存BUSY信号，防止转换数据漏采或丢失，提高机器人系统的可靠性和集成度，降低重量和成本。
本实施方式将每个旋转变压器的励磁电源、差分滤波电路、AD2S80A并行转换输出电路作为独立模块，然后将四个AD2S80A输出的16位并行数据挂在一起，送给FPGA采集电路，FPGA锁存每个BUSY信号，然后控制ENABLE端，使相应的AD2S80A输出。旋转变压器的的励磁电源采用频率为10KHz、有效值为5V的正弦电源信号，旋变输出的正弦和余弦差分信号通过差分运算放大器进行滤波并转为单端信号送给AD2S80A进行转换，通过配置AD2S80A，实现16位并行角度数据输出，控制ENABLE端，使输出数据有效或出于高阻状态，通过BUSY信号指示AD2S80A的工作状态。FPGA对四个BUSY信号进行编码，共有16种状态，然后根据AD2S80A转换时间的要求，控制相应的ENABLE信号，从而实现多个旋转变压器信息的采集。通过锁存BUSY信号状态，有效的防止了信息丢失或漏采，并根据BUSY信号的状态，自动切换数据的采集通道，减少了系统的采集时间，FPGA将采集到的16位旋转变压器信息进行锁存，一方面用于关节永磁同步电机的矢量控制，另外一方面提供给主处理器，用于机器人控制需求。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式。本实施方式相对于实施方式进一步限定为：AD2S80A的模/数转换数据输出通过BUSY信号指示，当BUSY信号为高电平时，表示AD2S80A正在转换旋转变压器的角度信息，当BUSY信号为低电平时，表示转换结束，可进行数据读取；FPGA的ENABLE信号控制并行转换数据的输出，当ENABLE信号为高电平时，并行数据总线处于高阻状态；当ENABLE信号为低电平时，并行数据总线有效。因此通过四个模块的BUSY信号指示，可确认模块的工作状况，通过控制ENABLE信号，实现每个模块的数据输出。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式相对于实施方式进一步限定为：本实施方式的采集处理模块是基于FPGA实现。FPGA具有并行数据处理功能，可实现与四个模块AD2S80A的并行数据处理，满足数据快速、实时性的要求。为防止信号的干扰造成误触发，每个BUSY信号增加了数字滤波器，然后对4个模块输出的BUSY信号进行编码，共有16种状态。为了防止并行数据总线冲突，需在FPGA程序中控制每次数据读取，只有一个模块通道的ENABLE信号有效。为了实现数据的自动采集，根据BUSY信号编码的16种状态，对ENABLE信号进行针对性控制，一个通道有效时，可直接控制相应的ENABLE信号；当两个或两个以上通道有效时，需要根据数据输出的稳定时间，控制ENABLE信号分时输出，保证读取数据有效。当这个状态读取完成之后，开始新的状态处理。
Claims (10)
1.多个旋转变压器的并行数据采集电路，其特征是在于它包括多个励磁电源(1)、多个旋转变压器(2)、多个差分滤波电路(3)、多个AD2S80A芯片(4)和一个现场可编程门阵列FPGA；
励磁电源(1)：每个励磁电源(1)连接一个旋转变压器(2)的励磁绕组以提供励磁电流，同时每个励磁电源(1)连接一个AD2S80A芯片(4)，为其提供工作电源；
旋转变压器(2)：每个旋转变压器(2)包括一个励磁绕组、铁芯和二个感应绕组；
差分滤波电路(3)：每个差分滤波电路(3)的正弦差分信号的两个输入端连接旋转变压器(2)一个感应绕组的两端，对输入的信号进行差分运算和滤波并输出；每个差分滤波电路(3)的余弦差分信号的两个输入端连接旋转变压器(2)另一个感应绕组的两端，对输入的信号进行差分运算和滤波并输出；
AD2S80A芯片(4)：每个AD2S80A芯片(4)的两个信号输入端分别连接差分滤波电路(3)的两路正交信号输出端，对输入的信号进行模/数转换；多个AD2S80A芯片(4)的十六位并行数据端口连接在一条数据总线上并连接到现场可编程门阵列FPGA的并行数据输入端口；
现场可编程门阵列FPGA：现场可编程门阵列FPGA按照旋转变压器(2)的个数设置相应个数的数据通道，以分别接收每个AD2S80A芯片(4)输出的十六位并行数据；每个数据通道的使能信号ENABLE输出端分别连接到一个AD2S80A芯片(4)的使能信号ENABLE输入端；每个处理单元的状态信号BUSY输入端分别连接一个AD2S80A芯片(4)的状态信号BUSY输出端。
2.根据权利要求1所述的多个旋转变压器的并行数据采集电路，其特征在于每个旋转变压器的励磁电源(1)、差分滤波电路(3)和AD2S80A芯片(4)作为独立模块。
3.采用权利要求1所述并行数据采集电路的并行数据自动采集方法，其特征在于它包括下述步骤：一、上电，AD2S80A芯片(4)输出高阻状态信号BUSY，现场可编程门阵列FPGA输出的使能信号ENABLE为高电平，以保证每一个AD2S80A芯片(4)并行数据输出端口处于高阻状态，防止总线冲突；二、旋转变压器(2)实时采集转角变化的信号，对采集到的转角变化信号进行差分滤波；三、差分滤波后的转角信号，在AD2S80A芯片(4)中完成模/数转换，并且使高阻的状态信号BUSY翻转为有效；四、现场可编程门阵列FPGA根据状态信号BUSY的指示，控制相应的AD2S80A芯片(4)使能信号ENABLE翻转为有效，同时打开并行数据总线中的数据锁存器；五、完成了模/数转换的转角数据通过十六位并行数据总线传递到现场可编程门阵列FPGA中相应的数据通道中。
4.根据权利要求3所述的并行数据自动采集方法，其特征在于ENABLE信号进行上拉。
5.根据权利要求3所述的并行数据自动采集方法，其特征在于旋转变压器的的励磁电源采用频率为10KHz、有效值为5V的正弦电源信号。
6.根据权利要求3所述的并行数据自动采集方法，其特征在于现场可编程门阵列FPGA对四个BUSY信号进行编码，共有16种状态。
7.根据权利要求6所述的并行数据自动采集方法，其特征在于AD2S80A芯片(4)的模/数转换数据输出通过BUSY信号指示，当BUSY信号为高电平时，表示AD2S80A正在转换旋转变压器的角度信息，当BUSY信号为低电平时，表示转换结束，允许进行数据读取。
8.根据权利要求6所述的并行数据自动采集方法，其特征在于现场可编程门阵列FPGA的ENABLE信号控制并行转换数据的输出，当ENABLE信号为高电平时，并行数据总线处于高阻状态；当ENABLE信号为低电平时，并行数据总线有效。
9.根据权利要求8所述的并行数据自动采集方法，其特征在于每个BUSY信号增加了数字滤波器，然后对4个模块输出的BUSY信号进行编码，共有16种状态，在FPGA程序中控制每次数据读取，只有一个模块通道的ENABLE信号有效。
10.根据权利要求9所述的并行数据自动采集方法，其特征在于一个通道有效时，可直接控制相应的ENABLE信号；当两个或两个以上通道有效时，需要根据数据输出的稳定时间，控制ENABLE信号分时输出，保证读取数据有效，当下状态读取完成之后，开始新的状态处理。
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