一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼器及其解碼方法

2023-10-11 17:07:04

專利名稱：一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼器及其解碼方法
技術領域：
本發明涉及一種解碼器，尤其涉及一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼器及其解碼方法。
背景技術：
旋轉變壓器是一種電磁感應式傳感器，用於伺服控制領域的物體的位置、角度、速度的測量。雙通道旋轉變壓器包含粗機和精機兩相繞組，通常用於高精度的檢測系統，例如用於船舶、兵器、水利、電力等領域內的檢測系統。將雙通道旋轉變壓器的物理信號轉換為可讀的檢測信息則需要進行解碼，目前，雙通道旋轉變壓器的解碼技術主要有軟體解碼和硬體解碼兩種方式。但是軟體解碼方法和硬體解碼方法都存在一定的問題。軟體解碼方法主要有調用反正切函數法和查表法，這類方法需要大量的硬體資源存儲角度以及與角度對應的正切函數值等數據，解碼速度慢，浪費硬體資源。硬體解碼方法主要有坐標旋轉數字計算方法(C0RDIC)，該方法使用超高速集成電路硬體描述語言(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language, VHDL)進行描述，利用現場可編程門陣列(FPGA)的硬體資源實現反正切操作。硬體解碼方法解碼速度快，但是算法複雜難懂，難以掌握，使得解碼器的設計和使用比較困難。並且現有技術的雙通道旋轉變壓器軟體解碼方法和硬體解碼方法都是針對地面測試設備和系統設計的，無法適應失重、高輻射、低氣壓、熱真空等惡劣環境條件，如空間微波雷達的使用環境的需求。

發明內容
本發明提供了一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼器及其解碼方法，軟體與硬體結合，能夠直接解算出雙通道旋轉變壓器的角度信息，解碼速度快，精度高，並且能夠適應苛刻的環境條件，可靠性高。本發明採用以下技術方案實現
一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼器，其特點是，包含激磁源、模數轉換器、乘法器、差分器、相敏解調器、積分器、控制電路、運算電路；
所述的激磁源分別與雙通道旋轉變壓器和相敏解調器連接，為雙通道旋轉變壓器提供電源，並為相敏解碼器提供解調信號；
所述的模數轉換器的輸入端與雙通道旋轉變壓器的輸出端連接；
所述的模數轉換器、乘法器、差分器、相敏解調器、積分器依次連接，單向傳輸數據；所述的控制電路分別與積分器、運算電路連接，接收積分器輸出的數據，並與運算電路雙向傳輸數據；
所述的運算電路與乘法器連接，雙向傳輸數據。上述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼器，其特點是，所述的控制電路還包含壓控振蕩器、邏輯門電路、單穩態電路、加減計數器；所述的壓控振蕩器分別與積分器和邏輯門電路連接；所述的邏輯門電路分別與單穩態電路、加減計數器連接，並與外部電路連接輸入禁止信號；所述的單穩態電路與運算電路連接，向運算電路輸出狀態判定信號。上述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼器，其特點是，所述的運算電路還包含存儲器、粗碼十六位加減計數器、精碼十六位加減計數器、處理器；所述的存儲器分別與乘法器、控制電路中的單穩態電路、粗碼十六位加減計數器、精碼十六位加減計數器連接；所述的粗碼十六位加減計數器分別與控制電路中的加減計數器、精碼十六位加減計數器、處理器連接；所述的精碼十六位加減計數器與處理器連接；所述的處理器與控制電路中的單穩態電路連接接收狀態判定信號，並與外部電路連接分別輸入禁止信號和時鐘信號。—種用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，用於上述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼器，其特點是，所述解碼方法包含以下步驟
步驟1，雙通道旋轉變壓器輸出周期性的角度的交流模擬信號，經模數轉換器轉換為交流數位訊號後，經過乘法器、差分器、相敏解調器產生一個直流模擬信號，並在積分器中進行積分；
步驟2，積分器的輸出信號與外部的禁止信號共同通過邏輯門電路驅動單穩態電路向存儲器和處理器輸出狀態判定信號，同時驅動加減計數器調整角度變量Ω的數值；
步驟3，根據狀態判定信號的值，存儲器讀取並儲存乘法器的交流數位訊號數據，或者將其內部儲存的交流數位訊號數據向粗碼十六位加減計數器和精碼十六位加減計數器輸出，粗碼十六位加減計數器和精碼十六位加減計數器分別產生一組二進位碼；
步驟4，粗碼十六位加減計數器和精碼十六位加減計數器輸出的二進位碼、禁止信號、單穩態電路輸出的狀態判定信號、外部的時鐘信號分別輸入處理器後，處理器對輸入的二進位碼進行運算，計算得到雙通道旋轉變壓器的角度數據。 上述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，其特點是，所述步驟I還包含
步驟1.1，激磁源為雙通道旋轉變壓器供電，並向相敏解調器提供解調信號；
步驟1. 2，模數轉換器將雙通道旋轉變壓器輸出的周期性的角度的交流模擬信號轉換為交流數位訊號；
步驟1. 3，乘法器、差分器依次將交流數位訊號與一個可調可變的角度變量ifJ相乘差
分；
步驟1. 4，差分器輸出的信號與激磁源提供的解調信號共同輸入相敏解調器解調產生一個直流模擬信號；
步驟1. 5，直流模擬信號輸入積分器中進行積分。上述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，其特點是，所述步驟2還包含
步驟2. 1，積分器的輸出信號輸入控制電路的壓控振蕩器作為其控制電壓，壓控振蕩器的輸出信號與外部電路輸入的禁止信號共同驅動邏輯門電路；
步驟2. 2，邏輯門電路的輸出信號驅動單穩態電路，使其向存儲器和處理器輸出狀態判定信號；
步驟2. 3，邏輯門電路的輸出信號同時驅動加減計數器，使其不斷調整角度變量D的數值。上述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，其特點是，所述步驟3還包含
步驟3. 1，根據狀態判定信號的值，如果狀態判定信號值為1，乘法器的交流數位訊號數據輸出到存儲器內進行儲存，粗碼十六位加減計數器和精碼十六位加減計數器不能讀取存儲器內的交流數位訊號數據；
步驟3. 2，如果狀態判定信號值為0，粗碼十六位加減計數器和精碼十六位加減計數器分別讀取儲存器內的交流數位訊號數據，並且粗碼十六位加減計數器向精碼十六位加減計數器輸出數據，粗碼十六位加減計數器和精碼十六位加減計數器分別運算輸出一組二進位碼。上述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，其特點是，所述步驟4還包含
步驟4. 1，在外部的時鐘信號的驅動下進入第一個時鐘周期，將禁止信號初始化為I後，對狀態判定信號進行判斷，如果狀態判定信號為1，則循環等待，如果狀態判定信號為O,處理器讀取粗碼十六位加減計數器和精碼十六位加減計數器輸出的二進位碼；
步驟4. 2，根據雙通道旋轉變壓器的精機與粗機繞組的極對數比，對粗碼十六位加減計數器和精碼十六位加減計數器的輸出數據進行判定，並調整粗碼十六位加減計數器輸出的二進位碼；
步驟4. 3，將經過調整的粗碼十六位加減計數器輸出的二進位碼與精碼十六位加減計數器輸出的二進位碼進行拼接，生成一組新的二進位碼，並向外輸出；
步驟4. 4，在外部的時鐘信號的驅動下進入下一個時鐘周期，循環步驟4.1至步驟4. 3，直至在外部的時鐘信號的驅動下結束解碼過程。本發明具有以下積極效果
本發明由於採用硬體與軟體結合的方式，能夠直接解算出雙通道旋轉變壓器的角度信息；本發明由於選用了一系列高可靠性的電路模塊，能夠適應空間微波雷達空間失重、低氣壓、高輻射、熱真空的惡劣環境條件，環境適應性好；本發明由於軟體程序簡單，能夠在一個時鐘周期內完成一次解碼運算，解碼速度快；本發明由於通過設置在處理器內的軟體程序對粗碼十六位加減計數器和精碼十六位加減計數器產生的數據進行整合，最後輸出的是經整合的角度信息，因此本發明的解碼結果精度高；本發明由於通過外部的 控制信號INH和狀態控制信號BUSY控制存儲器的數據存儲過程和處理器的數據處理過程，在解碼器內的前端部件尚未完成解碼運算時，數據只能存儲在存儲器中而不能進入處理器中進行運算，因此降低了解碼過程中的誤碼概率，解碼可靠性高。


圖1為本發明一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼器的硬體連接示意圖2為本發明一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法的流程圖3為本發明一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法的步驟4的流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發明做進一步闡述。參閱附圖1所示，本發明一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼器包含激磁源1、模數轉換器2、乘法器3、差分器4、相敏解調器5、積分器6、控制電路7、運算電路8。激磁源I分別與雙通道旋轉變壓器10和相敏解調器5連接，為雙通道旋轉變壓器10提供電源，同時向相敏解碼器5提供解調信號；模數轉換器2的輸入端與雙通道旋轉變壓器10的輸出端連接；模數轉換器2、乘法器3、差分器4、相敏解調器5、積分器6依次連接，單向傳輸數據；控制電路7分別與積分器6、運算電路8連接，接收積分器6輸出的數據，並與運算電路8雙向傳輸數據；運算電路8與乘法器3連接，雙向傳輸數據。 控制電路7包含壓控振蕩器(VCO) 71、邏輯門電路72、單穩態電路73、加減計數器74。壓控振蕩器71的輸入端與積分器6的輸出端連接，其輸出端與邏輯門電路72的輸入端連接。邏輯門電路72設有多個輸入端和多個輸出端，其中一個輸入端與壓控振蕩器71連接，其中另一個輸入端與外部電路連接輸入外部的禁止信號INH，其兩個輸出端分別與單穩態電路73、加減計數器74連接。單穩態電路73與運算電路8連接，向運算電路8輸出狀態判定信號BUSY。運算電路8包含存儲器81、粗碼十六位加減計數器82、精碼十六位加減計數器83、處理器84。存儲器81、粗碼十六位加減計數器82、精碼十六位加減計數器83、處理器84均設有多個輸入端與多個輸出端。存儲器81的其中一個輸入端B7與單穩態電路73的輸出端連接輸入狀態判定信號BUSY，其中一對輸入端BI和輸出端B2與乘法器3連接，一對輸入端B3和輸出端B4分別與粗碼十六位加減計數器82的一對輸出端C02和輸入端COl連接，一對輸入端B5和輸出端B6分別與精碼十六位加減計數器83的一對輸出端J02和輸入端JOl連接，分別雙向傳輸數據。粗碼十六位加減計數器82的其中一組輸出端Cl、C2、C3…C16分別與處理器84的多個輸入端連接，其中另一個輸出端CO同時與精碼十六位加減計數器83的輸入端JO和加減計數器74的輸入端連接。精碼十六位加減計數器83的其中一組輸出端Jl、J2> J3…J16分別與處理器84的多個輸入端連接。處理器84的其中一個輸入端Dl與外部電路連接輸入外部的禁止信號INH，一個輸入端D2與控制電路7的單穩態電路73的輸出端連接輸入狀態判定信號BUSY，一個輸入端D3與外部電路連接輸入時鐘信號，其輸出端向外輸出運算結果。雙通道旋轉變壓器10含有粗機和精機兩相繞組，本實施例中選用粗機精機磁極對數比為1:8的雙通道旋轉變壓器。本實施例中，激磁源I選用ZA015振蕩器，處理器84為複雜可編程邏輯器件(CPLD)，選用市售的EPM9560處理器，其餘的模數轉換器2、乘法器
3、差分器4、相敏解調器5、積分器6、壓控振蕩器71、邏輯門電路72、單穩態電路73、加減計數器74、存儲器81、粗碼十六位加減計數器82、精碼十六位加減計數器83均為現有技術的電路模塊。參閱附圖2所示，本發明一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，用於上述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼器，該解碼方法包含以下步驟
步驟1，雙通道旋轉變壓器10輸出周期性的角度的交流模擬信號，經模數轉換器2轉換為交流數位訊號後，經過乘法器3、差分器4、相敏解調器5產生一個直流模擬信號，並在積分器6中進行積分。其具體過程如下
步驟1. 1，激磁源I為雙通道旋轉變壓器10供電，並向相敏解調器5提供解調信號。步驟1. 2，模數轉換器2將雙通道旋轉變壓器10輸出的周期性的角度的交流模擬信號轉換為交流數位訊號。在本實施例中，雙通道旋轉變壓器10輸出四組正餘弦
形式的周期性的關於角度的交流模擬信號
權利要求
1.一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼器，其特徵在於，包含激磁源(I)、模數轉換器(2)、乘法器(3)、差分器(4)、相敏解調器(5)、積分器(6)、控制電路(7)、運算電路(8)； 所述的激磁源(I)分別與雙通道旋轉變壓器(10)和相敏解調器(5)連接，為雙通道旋轉變壓器(10)提供電源，並為相敏解碼器(5)提供解調信號； 所述的模數轉換器(2)的輸入端與雙通道旋轉變壓器(10)的輸出端連接； 所述的模數轉換器(2)、乘法器(3)、差分器(4)、相敏解調器(5)、積分器(6)依次連接，單向傳輸數據； 所述的控制電路(7)分別與積分器(6)、運算電路(8)連接，接收積分器(6)輸出的數據，並與運算電路(8)雙向傳輸數據； 所述的運算電路(8 )與乘法器(3 )連接，雙向傳輸數據。
2.如權利要求1所述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼器，其特徵在於，所述的控制電路(7)還包含壓控振蕩器(71)、邏輯門電路(72)、單穩態電路(73)、加減計數器(74);所述的壓控振蕩器(71)分別與積分器(6)和邏輯門電路(72)連接；所述的邏輯門電路(72)分別與單穩態電路(73)、加減計數器(74)連接，並與外部電路連接輸入禁止信號；所述的單穩態電路(73)與運算電路(8)連接，向運算電路(8)輸出狀態判定信號。
3.如權利要求2所述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼器，其特徵在於，所述的運算電路(8)還包含存儲器(81)、粗碼十六位加減計數器(82)、精碼十六位加減計數器(83)、處理器(84);所述的存儲器(81)分別與乘法器(3)、控制電路(7)中的單穩態電路(73)、粗碼十六位加減計數器(82)、精碼十六位加減計數器(83)連接；所述的粗碼十六位加減計數器(82)分別與控制電路(7)中的加減計數器(74)、精碼十六位加減計數器(83)、處理器(84)連接；所述的精碼十六位加減計數器(83)與處理器(84)連接；所述的處理器(84)與控制電路(7)中的單穩態電路(73)連接接收狀態判定信號，並與外部電路連接分別輸入禁止信號和時鐘信號。
4.一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，用於權利要求1所述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼器，其特徵在於，所述解碼方法包含以下步驟 步驟1，雙通道旋轉變壓器(10)輸出周期性的角度的交流模擬信號，經模數轉換器(2)轉換為交流數位訊號後，經過乘法器(3)、差分器(4)、相敏解調器(5)產生一個直流模擬信號，並在積分器(6)中進行積分； 步驟2，積分器(6)的輸出信號與外部的禁止信號共同通過邏輯門電路(72)驅動單穩態電路(73)向存儲器(81)和處理器(84)輸出狀態判定信號，同時驅動加減計數器(74)調整角度變量Ω的數值； 步驟3，根據狀態判定信號的值，存儲器(81)讀取並儲存乘法器(3)的交流數位訊號數據，或者將其內部儲存的交流數位訊號數據向粗碼十六位加減計數器(82 )和精碼十六位加減計數器(83 )輸出，粗碼十六位加減計數器(82 )和精碼十六位加減計數器(83 )分別產生一組二進位碼； 步驟4，粗碼十六位加減計數器(82)和精碼十六位加減計數器(83)輸出的二進位碼、禁止信號、單穩態電路(73)輸出的狀態判定信號、外部的時鐘信號分別輸入處理器(84)後，處理器(84)對輸入的二進位碼進行運算，計算得到雙通道旋轉變壓器的角度數據。
5.如權利要求4所述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，其特徵在於，所述步驟I還包含 步驟1.1，激磁源(I)為雙通道旋轉變壓器(10)供電，並向相敏解調器(5)提供解調信號; 步驟1. 2，模數轉換器(2)將雙通道旋轉變壓器(10)輸出的周期性的角度的交流模擬信號轉換為交流數位訊號； 步驟1. 3，乘法器(3)、差分器(4)依次將交流數位訊號與一個可調可變的角度變量Ω相乘差分； 步驟1. 4，差分器(4)輸出的信號與激磁源(I)提供的解調信號共同輸入相敏解調器(5)解調產生一個直流模擬信號； 步驟1. 5，直流模擬信號輸入積分器(6)中進行積分。
6.如權利要求4所述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，其特徵在於，所述步驟2還包含 步驟2. 1，積分器(6)的輸出信號輸入控制電路(7)的壓控振蕩器(71)作為其控制電壓，壓控振蕩器(71)的輸出信號與外部電路輸入的禁止信號共同驅動邏輯門電路(72)；步驟2. 2，邏輯門電路(72)的輸出信號驅動單穩態電路(73)，使其向存儲器(81)和處理器(84)輸出狀態判定信號； 步驟2. 3，邏輯門電路(72)的輸出信號同時驅動加減計數器(74)，使其不斷調整角度變量Ω的數值。
7.如權利要求4所述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，其特徵在於，所述步驟3還包含 步驟3. 1，根據狀態判定信號的值，如果狀態判定信號值為I，乘法器(3)的交流數位訊號數據輸出到存儲器(81)內進行儲存，粗碼十六位加減計數器(82)和精碼十六位加減計數器(83)不能讀取存儲器(81)內的交流數位訊號數據； 步驟3. 2，如果狀態判定信號值為0，粗碼十六位加減計數器(82)和精碼十六位加減計數器(83)分別讀取儲存器(81)內的交流數位訊號數據，並且粗碼十六位加減計數器(82)向精碼十六位加減計數器(83)輸出數據，粗碼十六位加減計數器(82)和精碼十六位加減計數器(83)分別運算輸出一組二進位碼。
8.如權利要求4所述的用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，其特徵在於，所述步驟4還包含 步驟4. 1，在外部的時鐘信號的驅動下進入第一個時鐘周期，將禁止信號初始化為I後，對狀態判定信號進行判斷，如果狀態判定信號為1，則循環等待，如果狀態判定信號為O，處理器(84)讀取粗碼十六位加減計數器(82 )和精碼十六位加減計數器(83 )輸出的二進位碼； 步驟4. 2，對粗碼十六位加減計數器(82)和精碼十六位加減計數器的輸出數據進行判定，並調整粗碼十六位加減計數器(82)輸出的二進位碼； 步驟4. 3，將經過調整的粗碼十六位加減計數器(82)輸出的二進位碼與精碼十六位加減計數器(83)輸出的二進位碼進行拼接，生成一組新的二進位碼，並向外輸出； 步驟4. 4，在外部的時鐘信號的驅動下進入下一個時鐘周期，循環步驟4.1至步驟4. 3，直至在外部的時鐘信號的驅動下結束解碼過程。
全文摘要
本發明公開了一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼器，包含激磁源、模數轉換器、乘法器、差分器、相敏解調器、積分器、控制電路、運算電路；激磁源分別與雙通道旋轉變壓器和相敏解調器連接；雙通道旋轉變壓器、模數轉換器、乘法器、差分器、相敏解調器、積分器依次連接；控制電路分別與積分器、運算電路連接；運算電路與乘法器連接；運算電路中還包含處理器。本發明公開了一種用於雙通道旋轉變壓器的解碼方法，將雙通道旋轉變壓器的輸出信號經解碼器硬體進行運算後輸入運算電路中的處理器進行整合運算，輸出經整合的角度信息。本發明軟體與硬體結合，能夠直接解算出雙通道旋轉變壓器的角度信息，解碼速度快，精度高，能適應苛刻的環境條件，可靠性高。
文檔編號H03M7/00GK103036572SQ20121051859
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者周起華, 翁孚達 申請人:上海無線電設備研究所