桑　坤，朱向冰，金慧敏

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000)

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一種基于CORDIC算法的自整角機信號解碼研究*

桑坤，朱向冰，金慧敏

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000)

自整角機是一種用于角度測量的微型電機，其輸出包含角度的模擬信號經(jīng)過簡單處理和A/D變換后再通過CORDI算法解碼。CODIC算法具有精度靈活可調(diào)、運算速度快、硬件實現(xiàn)簡單等優(yōu)點；通過對CORDC算法角度及對自整角機輸出信號的象限修正，設(shè)計了一種基于CORDIC算法流水線技術(shù)的自整角機解碼算法，并以FPGA為平臺進行模擬和仿真，驗證其準確性及可行性。

CORDIC算法；自整角機；解碼；FPGA

引用格式：桑坤，朱向冰，金慧敏. 一種基于CORDIC算法的自整角機信號解碼研究[J].微型機與應用，2016,35(18)：78-80.

0　引言

自整角機是一種高精度的角度位置傳感器[1]，廣泛應用于航海、航天、方位同步指示系統(tǒng)火炮等伺服系統(tǒng)中。自整角機輸出信號主要以模擬信號進行傳送，減少角度信號在較長距離傳輸時其他信號干擾，同時方便人們控制目標元件。傳統(tǒng)的軸角測量通常采用峰值采樣、相干解調(diào)或?qū)Ｓ玫妮S角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)[2]，但是這幾種算法也存在精度不高、運算速度較慢及價格昂貴等缺點。本文使用的坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算(Coordinate Rotation Digital Computer，CORDIC)算法采用迭代的思想，不進行乘法運算，提高了運算速度。由于該算法是一種數(shù)字-數(shù)字的算法，有線性的收斂域和序列及迭代次數(shù)可有效提高精度[3]。

本文利用CORDIC算法[4]計算反正切函數(shù)并結(jié)合自整角機輸入輸出信號的特點，實現(xiàn)一種運算速度高、可靠性好、精度高、硬件設(shè)計簡單的角度解碼，并用FPGA豐富硬件資源簡化程序，提高電路的運算速度和可靠性。

1　自整角機基本原理

圖1　自整角機原理圖

自整角機是利用自整步特性將轉(zhuǎn)角變?yōu)榻涣麟妷夯蛴山涣麟妷鹤優(yōu)檗D(zhuǎn)角的感應式微型電機，當激勵繞組以一定的頻率交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系[5]。在結(jié)構(gòu)上，自整角機主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子軸上的單相繞組通過電刷和滑環(huán)與外界連接，引出端用Z1和Z2表示；定子的三相對稱繞組以Y型連接，空間位置上依次落后120°，如圖1所示。

設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動θ，自整角機三路輸出模擬信號，但是需要電壓激勵。激勵電壓為：

Eref=ERLO-RHIsinωt

(1)

S1、S2、S3三路定子的感應電動勢分別為：

ES1-S3=ERLO-RHIsinωtsinθ

(2)

ES3-S2=ERLO-RHIsinωtsin(θ+120°)

(3)

ES2-S1=ERLO-RHIsinωtsin(θ+240°)

(4)

上式中sinωt為交流信號，θ是自整角機偏轉(zhuǎn)的角度。

2　CORDIC算法原理

CORDIC算法基本思想是迭代，通過多個固定的及與運算有關(guān)的角度逐次遞減，從而逐漸逼近需要的角度。

圖2　CORDIC旋轉(zhuǎn)示意圖

CORDIC算法的基本公式在一些文獻中有詳細推導，這里僅作簡要的說明。

如圖2所示，假設(shè)向量(xi,yi)按照一定角度旋轉(zhuǎn)到(xj,yj)則有：

(5)

起始位置到終點位置可以通過多步迭代旋轉(zhuǎn)過程實現(xiàn)，每一步旋轉(zhuǎn)一定的相位，則：

(6)

提取cosθn，則有：

(7)

(8)

其中K為增益因子，其值的變化取決于迭代次數(shù)，當?shù)螖?shù)N很大時：

(9)

CORDIC算法有旋轉(zhuǎn)模式(rotation)和矢量模式(vectoring)兩種旋轉(zhuǎn)模式[6]，該解碼算法采用矢量模式。迭代方程如下：

(10)

假設(shè)初始條件為x0=x,y0=y,z0=0,經(jīng)過n次迭代后,矢量模式的表達式為：

(11)

3　自整角機解碼算法設(shè)計

3.1自整角機輸出信號的象限修正

(12)

對自整角機三路輸出的模擬信號進行簡單運算，得到只含角度θ的正余弦值和正切值；然后對得到的正余弦函數(shù)進行修正，得到角度θ所在的范圍。

定義一個中間變量α，則有：

(13)

sinθ、cosθ在不同區(qū)域的值如表1所示。

表1　不同區(qū)域的角度

3.2CORDIC求全角量反正切

對于自整角機輸出信號，在旋轉(zhuǎn)的角度一定時，可將輸出的信號理解為勵磁信號Eref=ERLO-RHIsinωt對sinθ和cosθ進行的幅度調(diào)制[6]，而勵磁信號的變化只是幅值發(fā)生變化，對自整角機輸出信號的正確解碼不產(chǎn)生影響，只要能正確地解碼出角度值，則幅值的變化可以忽略不計，本文選擇CORDIC算法的矢量模式，令Uxin=cosθ,Uyin=sinθ,z0=0，經(jīng)過n次迭代后得到式(11)。

3.3CORDIC算法的角度輸出

4　CORDIC自整角機解碼算法的實現(xiàn)及仿真

4.1CORDIC自整角機解碼算法的實現(xiàn)

基于CORDIC算法實現(xiàn)的設(shè)計有迭代結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)[7]，流水線結(jié)構(gòu)運算速度比迭代結(jié)構(gòu)快，采用流水線結(jié)構(gòu)可有效提高算法速度。在流水線結(jié)構(gòu)中，旋轉(zhuǎn)角度集的各個值均是直接聯(lián)到累加器的[6]。流水線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖5　260°軟件仿真圖

圖3　流水線結(jié)構(gòu)示意圖

4.2FPGA實驗仿真

采用VHDL語言描述并在FPGA上實現(xiàn)流水線結(jié)構(gòu)的CORDIC解碼算法，利用QuartuesII進行仿真，驗證其可行性與正確性。

設(shè)定系統(tǒng)時鐘為98 MHz,輸入一位時鐘信號clk,1位使能信號ena，16位輸入信號Xin、Yin，及20位角度解碼信號輸出Aout，仿真選取50°和260°進行模擬，驗證該解碼算法的正確性。

當自整角機的角度為50°時，QuartuesII仿真圖及仿真數(shù)據(jù)如圖4和表2所示。

圖4　50°軟件仿真圖

ErefUxinUyinXinYinθΔθ10.642790.76604210622510250.15770.15770.50.321390.38302105031255150.07530.07530.250.160690.191515252627650.07530.07530.050.032140.038301053125550.00530.00530.010.006430.0076621125150.00530.00530.0020.001290.00153425049.95580.04420.00040.0002580.0003181049.96340.0036

當自整角機的角度為260°時，仿真圖及仿真數(shù)據(jù)如圖5和表3所示。

由上述數(shù)據(jù)可知，在角度一定、Eref變化的情況下，該算法可以正確地解碼θ，并且達到一定的精度；仿真中的冒險競爭不是發(fā)生在時鐘上升沿，不影響角度的正確解碼。從仿真圖上可以看出有一定的延時，這是由迭代運算造成的效果，可以通過改變時鐘頻率進行改善。

表3　自整角機輸出角度為260°時仿真數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

本文采用CORDIC算法在FPGA上實現(xiàn)自整角機輸出角度的解碼，并對自整角機的輸出信號進行簡單的運算和角度的象限修正預處理，在可計算的范圍內(nèi)，通過QuartuesII驗證其可行性與正確性，提升了運行速度和精度，從而驗證了該設(shè)計的正確可行。

[1] 楊桂華. 高精度自整角機精度的分析[J]. 微電機,1990(1):11-15.

[2] 李全.正交三角函數(shù)的CORDIC實

現(xiàn)[J].微計算機信息,2008,24(12-3):268-269.

[3] 陳石平，廖丁毅，張權(quán).CORDIC算法在正角調(diào)制技術(shù)的應用[J].廣西通信技術(shù)，2015(2)：49-52.

[4]王華華,陳雷成,陳發(fā)堂，等.基于FPGA的STA-CORDIC算法在SCME中的應用[J].電子技術(shù)應用,2014,40(8):109-111,115.

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Study on synchro signal decoding based on CORDIC algorithm

Sang Kun，Zhu Xiangbing，Jin Huimin

(College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China)

Synchro is a miniature motor used for measurement of angle. It outputs analog signal transformed by A/D transform, and then uses the CORDIC algorithm for decoding .The CORDIC algorithm has the advantages of flexible and adjustable precision, fast calculation speed and easy hardware realization. Based on the CORDIC algorithm and synchro outputs angles correction in quadrants,this article designs a CORDIC algorithm based on pipelining for decoding, and simulates and verifies the accuracy and feasibility of the algorithm by FPGA.

CORDIC algorithm；synchro；signal decoding；FPGA

安徽省高校自然科學研究重大項目(KJ2015ZD23)

TN79+2

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.023

2016-04-22)

桑坤(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電子信息技術(shù)。

朱向冰(1973-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：光電技術(shù)。E-mail:skahnu@163.com。

金慧敏(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：信號處理。