轴角测角平台系统的研究设计

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1、摘要本文在对通用轴角测角平台系统的研究中，结合系统对数据处理速度及测量精度的要求高，同时系统控制也较复杂的特点，对可编程片上系统(SOPC)进行了研究。应用嵌入式处理器软核代替通用的处理器芯片，通过编程实现硬件算法替代了专用的Resolver-to-Digital解调芯片，二者结合，在XilinxFPGA芯片内设讣实现了一种嵌入式系统。文章在轴角信号的解调算法研究中，结合数字信号处理理论，提出了三角变换配合低通滤波器的轴角解调测量方法。与传统的方法相比该方法具冇精度高、转换速度快、成本低、实用性好等特点。在FPGA硕件系统

2、的设计开发屮，运用了Xilinx公司最新的FPGA系统级开发工具包SystemGenerator。该方法可直接将MATLAB/Simulink中设计的理论模型转换为可实现的硬件描述语言VHDL代码，具冇操作简单，设计灵活，效率高等优点，所得设计也具有运算速度快，实吋性能好的特点。在FPGA系统仿真中，采用软硬件协同仿真的方法，引入了新的仿真工具LinkforModelsim,打破了软硬件间的屏障，人大加快了系统的功能验证。实验结果表明：该验证方法具有结果直观，操作简单，效率高等优点。同时，由于仿真的期望结杲也通过测试程序来

3、计算，大大降低了仿真工作量。目录摘要1ABSTRACT1目录1第一章绪论11.1研究背景和课题来源11.2轴角测角的研究现状及发展趋势21.3测角系统设计要求11.4课题研究的主要工作及论文的主要内容3第二章相关理论及开发工具52.1轴角测量原理52.2嵌入式系统概述82.3基于FPGA的嵌入式系统开发工具82.3.1EDK概述92.3.2ISE概述92.4可编程逻辑器件Spartan-3FPGA的结构及特点102.5可编程逻辑器件的开发流程112.6本章小结13第三章轴角解调算法研究153.1基于数字信号处理的轴角解调算

4、法153.2误差分析173.2.1两路相位不同173.2.2和的不正交性18OsinOcos3.2.3幅度不相等192.3本章小结21第四章硬件系统设计234.1系统结构与功能234.2LPF低通滤波器模块的设计243.2.1IIR数字滤波器的原理244.2.2IIR数字滤波器的设计254.2.3IIR数字滤波器的VHDL语言实现262.2.4运用现代DSP技术实现IIR数字滤波器284.3运用现代DSP技术实现角度解调处理模块3()目录24.4其它重要功能模块的设计实现312.4.1信号预处理电路的设计314.4.2Sp

5、artan-3芯片配置下载电路的设计334.4.3系统电源电路模块的设计354.5本章小结36第五章SOPC嵌入式开发设计375.1MicroBlaze软核简介375.1.1MicroBlaze的体系结构375.1.2CoreConnect技术395.2嵌入式SOPC系统开发403.3基于MicroBlaze软核的嵌入式测角平台系统的设计433.3.1系统功能与资源需求434.3.2嵌入式系统结构设计445.3.3嵌入式系统硬件设计455.3.4系统软件设计及软件实现角度编码处理模块485.3.5屮断程序开发495.3.6

6、软/硬件组合及下载505.3.7嵌入式系统调试验证505.4本章小结50第六章轴角测角系统的FPGA协同仿真技术536.1协同仿真概述536.1.1应用背景536.1.2具有协同仿真功能的仿真软件536.2FPGA设计的传统仿真调试方法546.3FPGA协同仿真技术555.4采用LinkforModclsim进行软硬件协同仿真564.4.1对IIR滤波器模块进行协同仿真564.4.2对角度解调模块进行协同仿真576.5提高仿真效率586.6木章小结58结论与展望61附录63致谢65参考文献67研究成果71第一章绪论1.1研

7、究背景和课题來源角度测量是测控技术的重要组成部分。在雷达天线、船舶、航空航天等工业领域屮，常常要求对角度进行快速精密测量，以便调整或控制被测物体的方位、姿态，使其稳定在要求范围内。测角系统发展至今，已有很多种。它们依据了不同的测角原理，并以不同的方式实现，其准确度、分辨率、跟踪速度等都得到了很大提高。自整角机(SYNCHRO)、旋转变压器(RESOLVER)是冃前最精确、最可靠的轴角模拟传感器，广泛应用在飞行器姿态控制和检测、导弹控制、天线跟踪、目标探测、数控机床、伺服系统、机器人和军事装备的火控等控制系统屮。在这些系统中

8、除用于测角直接显示外，更多的是用丁•输入微处理机，进而对输出轴角进行控制。为此需耍将B整角机和旋转变压器输出的正、余弦交流信号变换成微处理机能接受的数字信号，或将表征角度的数字信号变换成自整角机或旋转变压器能接受的正、余眩交流信号。从诸多领域的应用屮可以看出，对自整角机和旋转变压器输出轴角信号进行研究，