KR101509499B1 - High speed trigonometric calculating apparatus using field programmable gate array - Google Patents
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Abstract
광학 장비의 회전 각도를 측정하여 출력하는 회전 센서 모듈과, 상기 회전 센서 모듈에서 출력된 회전 각도를 극 좌표계 값에서 직교 좌표계 값으로 변환하는 FPGA(field programmable gate array) 연산 모듈과, 상기 변환된 직교 좌표계 값을 출력하는 출력 모듈을 구성한다. 상기와 같은 FPGA를 이용하는 고속 삼각함수 연산 장치에 의하면, 종래의 디지털 신호 프로세서 대신 FPGA(field programmable gate array)를 이용하여 회전각의 삼각함수 연산 처리를 고속화하는 효과가 있다. 또한, 사인 함수와 코사인 함수의 1/4 주기 값만이 미리 저장된 삼각함수 테이블에서 값을 독출하여 삼각함수 연산을 수행함으로써, 연산 처리를 간략화하고 처리 속도를 높일 수 있다.A field programmable gate array (FPGA) operation module for converting the rotation angle output from the rotation sensor module from a polar coordinate value to a rectangular coordinate value; And an output module for outputting the coordinate system value. According to the high-speed trigonometric function processor using the above-described FPGA, the trigonometric function operation of the rotation angle is speeded up by using a field programmable gate array (FPGA) instead of the conventional digital signal processor. Also, by reading the values from the trigonometric function table in which only the 1/4 cycle values of the sine function and the cosine function are stored and performing the trigonometric function operation, the arithmetic processing can be simplified and the processing speed can be increased.
Description
본 발명은 삼각함수 연산 장치에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 FPGA를 이용하는 고속 삼각함수 연산 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일부 광학 장비는 회전축을 따라 회전하면서 적의 표적을 탐색한다. 광학 장비는 회전각을 측정하고, 측정된 회전각을 극 좌표계 값으로부터 직각 좌표계 값으로 변환하여 표적의 위치 및 속도를 인식한다. 이때, 광학 장비는 고속으로 회전하면서 실시간으로 좌표 변환을 수행하므로, 많은 연산량을 고속으로 수행해야 한다.Some optical equipment rotates along the axis of rotation and searches for enemy targets. The optical instrument measures the rotation angle and converts the measured rotation angle from the polar coordinate value to the rectangular coordinate value to recognize the position and velocity of the target. At this time, the optical equipment performs coordinate conversion in real time while rotating at a high speed, so a large amount of computation must be performed at high speed.
종래에는 회전각 연산 처리에 주로 디지털 신호 프로세서(digital signal processor)가 이용되며, 부동 소수점 연산에 있어서 특히 강력한 성능을 발휘하고 있다. 그런데, 고속 연산 처리에는 한계가 있다는 문제점이 있다. 광학 장비의 회전 속도가 빠르면 빠를수록 회전각 연산 처리에 부하가 많이 걸려서 표적을 신속 정확하게 탐지할 수 없다.Conventionally, a digital signal processor is mainly used for the rotation angle calculation processing, and particularly strong performance is exhibited in the floating point calculation. However, there is a problem that there is a limit to high-speed computation processing. The faster the rotational speed of the optical equipment, the more load is required for the rotational angle calculation processing and the target can not be detected quickly and accurately.
이하, 도 1을 참조하여 종래 기술의 문제점을 설명한다.Hereinafter, problems of the prior art will be described with reference to Fig.
도 1은 극 좌표계 및 직각 좌표계의 변환 관계를 나타내는 개념도이다.Fig. 1 is a conceptual diagram showing a conversion relationship between a polar coordinate system and a rectangular coordinate system.
도 1을 참조하면, 극 좌표계 값과 직각 좌표계 값 간의 관계를 알 수 있다. 여기서, r은 회전각 반지름이며, θ는 회전각이다. , r과 θ를 알면, 직각 좌표계의 x값은 rcosθ이고, y값은 rsinθ이다.Referring to FIG. 1, a relationship between a polar coordinate value and a rectangular coordinate value can be known. Where r is the radius of rotation and θ is the rotation angle. Knowing r and θ, the x value of the Cartesian coordinate system is rcosθ and the y value is rsinθ.
이처럼, 미리 알고 있는 r값과 실시간 측정되는 θ값을 이용하여 삼각함수 연산을 고속으로 처리하기 위해서는 종래보다 향상된 하드웨어 성능과 좀 더 간략화된 연산 알고리즘이 요구된다고 할 수 있다.As described above, in order to process the trigonometric function at a high speed by using the previously known r value and the measured θ value in real time, improved hardware performance and a simpler calculation algorithm are required.
본 발명의 목적은 FPGA를 이용하는 고속 삼각함수 연산 장치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a high-speed trigonometric function calculation apparatus using an FPGA.
상술한 본 발명의 목적에 따른 FPGA를 이용하는 고속 삼각함수 연산 장치는, 광학 장비의 회전 각도를 측정하여 출력하는 회전 센서 모듈과, 상기 회전 센서 모듈에서 출력된 회전 각도를 극 좌표계 값에서 직교 좌표계 값으로 변환하는 FPGA(field programmable gate array) 연산 모듈과, 상기 변환된 직교 좌표계 값을 출력하는 출력 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 FPGA 연산 모듈이 상기 회전 각도를 변환할 수 있도록 하기 위해, 상기 회전 센서 모듈에서 측정된 회전 각도에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 미리 저장하는 메모리 모듈을 더 포함하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 메모리 모듈은, 상기 회전 센서 모듈에서 1 회전에 의해 출력되는 펄스 수의 1/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 미리 저장하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 FPGA 연산 모듈은, 상기 미리 저장된 1/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 하기 수학식에 대입하여 나머지 3/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 산출하고, [수학식] 이다.A high-speed trigonometric function calculator using an FPGA according to an exemplary embodiment of the present invention includes a rotation sensor module for measuring and outputting a rotation angle of an optical device, a rotation angle sensor for calculating a rotation angle output from the rotation sensor module, A field programmable gate array (FPGA) arithmetic module for converting the rectangular coordinate system value to an output module for outputting the converted rectangular coordinate system value. The memory module may further include a memory module for storing a sine function value and a cosine function value corresponding to the rotation angle measured by the rotation sensor module in advance so that the FPGA operation module can convert the rotation angle . The memory module may be configured to previously store a sine function value and a cosine function value corresponding to 1/4 of the number of pulses outputted by one rotation in the rotation sensor module. In addition, the FPGA operation module calculates sine function values and cosine function values corresponding to the remaining 3/4 number by substituting the pre-stored sine function values and cosine function values corresponding to the number of 1/4, , [Mathematical Expression] to be.
상기와 같은 FPGA를 이용하는 고속 삼각함수 연산 장치에 의하면, 종래의 디지털 신호 프로세서 대신 FPGA(field programmable gate array)를 이용하여 회전각의 삼각함수 연산 처리를 고속화하는 효과가 있다. 또한, 사인 함수와 코사인 함수의 1/4 주기 값만이 미리 저장된 삼각함수 테이블에서 값을 독출하여 삼각함수 연산을 수행함으로써, 연산 처리를 간략화하고 처리 속도를 높일 수 있다.According to the high-speed trigonometric function processor using the above-described FPGA, the trigonometric function operation of the rotation angle is speeded up by using a field programmable gate array (FPGA) instead of the conventional digital signal processor. Also, by reading the values from the trigonometric function table in which only the 1/4 cycle values of the sine function and the cosine function are stored and performing the trigonometric function operation, the arithmetic processing can be simplified and the processing speed can be increased.
도 1은 극 좌표계 및 직각 좌표계의 변환 관계를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FPGA를 이용하는 고속 삼각함수 연산 장치의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 회전 각도 측정에 따른 펄스 출력을 나타내는 그래프이다.
도 4는 FPGA를 이용하는 FPGA를 이용하는 고속 삼각함수 연산 방법의 흐름도이다.Fig. 1 is a conceptual diagram showing a conversion relationship between a polar coordinate system and a rectangular coordinate system.
2 is a block diagram of a high-speed trigonometric function calculating apparatus using an FPGA according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the pulse output according to the rotation angle measurement of the present invention.
4 is a flowchart of a high-speed trigonometric function calculation method using an FPGA using an FPGA.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail to the concrete inventive concept. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FPGA를 이용하는 고속 삼각함수 연산 장치의 블록 구성도이다.2 is a block diagram of a high-speed trigonometric function calculating apparatus using an FPGA according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 FPGA를 이용하는 고속 삼각함수 연산 장치(100)(이하, '고속 삼각함수 연산 장치'라 함)는 회전 센서 모듈(110), 메모리 모듈(120), FPGA 연산 모듈(130) 및 출력 모듈(140)을 포함하도록 구성될 수 있다.Referring to FIG. 2, a high-speed trigonometric function processor 100 (hereinafter, referred to as a high-speed trigonometric processor) using an FPGA according to an embodiment of the present invention includes a
고속 삼각함수 연산 장치(100)는 종래와 달리 FPGA(field programmable gate array) 연산 모듈(120)을 이용하여 회전각의 삼각함수를 연산하도록 하여 연산 처리의 속도를 높인다. 고속 삼각함수 연산 장치 (100)는 사인 함수의 코사인 함수의 주기성을 이용하여 연산 알고리즘을 간략화한다. 구체적으로는, 메모리 모듈(120)에 사인 함수 및 코사인 함수의 1/4 주기 값만이 미리 저장되도록 하고, 저장된 값을 독출하여 삼각함수 연산을 수행함으로써, 연산 처리를 간략화하고 처리 속도를 높일 수 있다. 이하, 구체적인 구성에 대하여 설명한다.The high-speed
회전 센서 모듈(110)은 광학 장비의 회전 각도를 측정하여 출력하도록 구성될 수 있다. 회전 센서 모듈(110)은 회전 각도를 측정하여 고속으로 출력 가능해야 한다. 적어도 50 Hz의 회전 속도에서 회전 각도를 측정하여 출력 가능하도록 구성될 수 있다.The
메모리 모듈(120)은 FPGA 연산 모듈(130)이 회전 각도를 변환할 수 있도록 하기 위해, 회전 센서 모듈(110)에서 측정된 회전 각도에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 미리 저장하도록 구성될 수 있다. 1/4 주기 값을 저장하는 것은 사인 함수와 코사인 함수가 주기성을 갖는 함수로서, 1/4 주기만으로도 사인 함수와 코사인 함수의 모든 값을 주기성을 이용한 연산이 가능하기 때문이다.The
이에, 메모리 모듈(120)은 회전 센서 모듈(110)에서 1 회전에 의해 출력되는 펄스 수의 1/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 미리 저장하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 회전 센서 모듈(110)은 회전 각도의 분해능(resolution)에 따른 소정 개수의 펄스를 출력하여 측정된 회전각을 나타내는데, 메모리 모듈(120)은 이러한 펄스 역시 1/4 개수의 사인 함수값과 코사인 함수값만 미리 저장해두면 된다. 이는 메모리 모듈(120)이 사인 함수값과 코사인 함수값의 1/4 주기 값만 저장하는 것을 의미한다.Accordingly, the
분해능에 대하여 좀 더 설명하면, 50 Hz의 회전 속도를 갖는 광학 장비에 대하여 0.036도의 분해능을 갖도록 하려면, 회전 센서 모듈(110)이 1회전에 대하여 10000 개의 펄스를 출력하도록 설정하면 된다. 이에, 회전 각도는 펄스 수에 0.036도를 곱하면 알 수 있다.More specifically, in order to have a resolution of 0.036 degrees for an optical device having a rotation speed of 50 Hz, the
FPGA 연산 모듈(130)은 회전 센서 모듈(110)에서 출력된 회전 각도를 극 좌표계 값에서 직교 좌표계 값으로 변환하도록 구성될 수 있다. FPGA 연산 모듈(120)은 디지털 신호 프로세서가 아닌 FPGA를 이용함으로써, 실시간 연산 속도를 높일 수 있다. FPGA 연산 모듈(120)은 회전 각도 θ와 광학 장비의 회전 반지름 r을 이용하여 직교 좌표계 값으로 변환한다. 이때, x값은 rcosθ이고, y값은 rsinθ가 된다.The
한편, FPGA 연산 모듈(130)은 메모리 모듈(120)에 미리 저장된 1/4 주기의 사인 함수값과 코사인 함수을 이용하여 연산을 간략화할 수 있다. 즉, FPGA 연산 모듈(130)은 메모리 모듈(120)에 미리 저장된 1/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 수학식 1에 대입하여 나머지 3/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 산출하도록 구성될 수 있다.Meanwhile, the
출력 모듈(140)은 FPGA 연산 모듈(120)에서 변환된 직교 좌표계 값을 출력하도록 구성될 수 있다.The
도 3은 본 발명의 회전 각도 측정에 따른 펄스 출력을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the pulse output according to the rotation angle measurement of the present invention.
도 3을 참조하면, 회전 센서 모듈(110)에서 출력하는 펄스를 예시하고 있다. 이때, 회전 속도가 빨라지면 소정 시간 당 출력되는 엔코더 출력 신호 펄스 수도 증가하도록 구성됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, a pulse output from the
도 4는 FPGA를 이용하는 FPGA를 이용하는 고속 삼각함수 연산 방법의 흐름도이다.4 is a flowchart of a high-speed trigonometric function calculation method using an FPGA using an FPGA.
도 4를 참조하면, 회전 센서 모듈(110)이 광학 장비의 회전 각도를 측정하여 펄스 형태로 출력한다(S110).Referring to FIG. 4, the
다음으로, FPGA 연산 모듈(130)이 회전 센서 모듈(110)에서 출력된 회전 각도에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 메모리 모듈(120)로부터 독출하여 회전 각도의 극 좌표계 값을 직교 좌표계 값으로 변환한다(S120). 여기서, FPGA 연산 모듈(130)은 광학 장비가 1 회전하여 출력되는 펄스 수의 1/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 독출하도록 구성될 수 있다. 그리고 광학 장비가 1 회전하여 출력되는 펄스 수의 1/4 개수 외에 나머지 3/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 수학식 2에 따라 산출하도록 구성된다.Next, the
여기서, r은 광학 장비의 회전 반지름이고, θ는 회전각이다.Where r is the radius of rotation of the optical equipment and [theta] is the angle of rotation.
다음으로, 출력 모듈(140)이 FPGA 연산 모듈(130)에서 변환된 직교 좌표계 값을 출력한다(S130).Next, the
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the following claims There will be.
Claims (4)
상기 회전 센서 모듈에서 출력된 회전 각도를 극 좌표계 값에서 직교 좌표계 값으로 변환하는 FPGA(field programmable gate array) 연산 모듈;
상기 변환된 직교 좌표계 값을 출력하는 출력 모듈;
상기 FPGA 연산 모듈이 상기 회전 각도를 변환할 수 있도록 하기 위해, 상기 회전 센서 모듈에서 측정된 회전 각도에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 미리 저장하는 메모리 모듈을 포함하고,
상기 메모리 모듈은,
상기 회전 센서 모듈에서 1 회전에 의해 출력되는 펄스 수의 1/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 미리 저장하고,
상기 FPGA 연산 모듈은,
상기 미리 저장된 1/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 하기 수학식에 대입하여 나머지 3/4 개수에 해당하는 사인 함수값과 코사인 함수값을 산출하고,
[수학식]
인 것을 특징으로 하는 고속 삼각함수 연산 장치.A rotation sensor module for measuring and outputting the rotation angle of the optical equipment;
A field programmable gate array (FPGA) operation module for converting a rotation angle output from the rotation sensor module from a polar coordinate value to a rectangular coordinate value;
An output module for outputting the transformed rectangular coordinate system value;
And a memory module for previously storing a sine function value and a cosine function value corresponding to the rotation angle measured by the rotation sensor module so that the FPGA operation module can convert the rotation angle,
The memory module comprising:
A sine function value and a cosine function value corresponding to 1/4 of the number of pulses outputted by one rotation in the rotation sensor module are stored in advance,
Wherein the FPGA operation module comprises:
Calculating a sine function value and a cosine function value corresponding to the remaining 3/4 number by substituting the sine function value and the cosine function value corresponding to the pre-
[Mathematical Expression]
And the high-speed trigonometric function calculating unit.
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