基于FPGA的智能變送器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：根據(jù)工業(yè)應用的實際需要以及網(wǎng)絡通信發(fā)展的功能要求，提出了基于FPGA智能變送器控制系統(tǒng)的總體方案，設(shè)計了以XILINX公司的Spartan3系列XC3S4005PO208C可編程邏輯器件為主控制器、DM9000A為以太網(wǎng)通信接口、SJA1000為CAN控制器的硬件系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)軟件流程圖，重點論述了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)模擬輸出控制電路的FPGA實現(xiàn)，結(jié)合ISE10．1設(shè)計軟件給出了A／D、D／A的仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞：FPGA；智能變送器；數(shù)據(jù)采集；可編程邏輯器件

在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，過程參數(shù)壓力、差壓、絕對壓力、流量等工藝參數(shù)均要嚴格控制，而這類參數(shù)的測量與監(jiān)控大多使用變送器。變送器是玉業(yè)過程重要的基礎(chǔ)自動化設(shè)備之一，是工業(yè)過程自動控制中應用最廣、使用最多的一種現(xiàn)場儀表。隨著高參數(shù)、大容量設(shè)備的增加和過程工藝的復雜化，變送器用量不斷增多。
隨著工業(yè)自動化控制技術(shù)的發(fā)展，自控水平越來越高，對過程參數(shù)控制精度要求越來越嚴，要求變送器表不僅精度高，而且要功能多、穩(wěn)定可靠、能準確傳送過程參數(shù)(壓力、差壓、絕壓、流量)、抗干擾能力強、使用維護簡單，并能與控制器、執(zhí)行器等設(shè)備組成功能強大的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)通訊和過程的自動控制。所以，過去的變送器由于受測量原理和通訊所限，很難實現(xiàn)這種高精度控制要求，因此，自然而然地產(chǎn)生了原理先進具有通訊功能的智能變送器。這類先進的智能變送器集現(xiàn)代科技與一身，是微電子技術(shù)、精密機械加工技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，能實現(xiàn)過程控制的多種要求，推動了整個自控技術(shù)的向前發(fā)展。先進的智能變送器是工業(yè)過程控制技術(shù)發(fā)展的需要，也是工藝過程實現(xiàn)高精度控制的必須，具有很好的市場前景。
本文根據(jù)工業(yè)應用的實際需要以及網(wǎng)絡通信發(fā)展的功能要求，提出了基于FPGA智能變送器控制系統(tǒng)的總體方案，硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件設(shè)計。該設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)MCU主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊等硬件電路，并給出了系統(tǒng)軟件流程圖，重點論述了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)模擬輸出控制電路的FPGA實現(xiàn)，詳細闡述了系統(tǒng)各模塊電路的組成原理和實現(xiàn)方法，給出了整個電路系統(tǒng)的原理圖，并制作了印刷電路板。結(jié)合XILINX公司的ISE10．1設(shè)計軟件給出了模／數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)／模轉(zhuǎn)換的仿真結(jié)果，驗證了系統(tǒng)功能。

1 智能變送器的總體設(shè)計
本智能變送器由前端信號調(diào)理電路、高速A／D采樣電路、數(shù)字信號處理電路、模擬輸出電路和數(shù)字輸出電路組成。如圖1所示。

分析不同類型的傳感器，其輸出信號可分為電流信號、電壓信號和電荷信號3大類，相應地設(shè)計了3種信號調(diào)理電路。以大型設(shè)備振動監(jiān)測項目為例，縣體的傳感器有加速度、速度和位移傳感器。選擇不同的前端信號調(diào)理電路，變成統(tǒng)一規(guī)格的電壓信號供后面的A／D采樣。
A／D采樣部分對前端電路的輸出電壓信號進行采樣。A／D采樣芯片采用ADI公司的AD7264，AD7264是雙通道同步采樣、14-bit、高速、低功耗、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用5V單電源供電，采樣速率高達1 MSPS。A／D采樣電路與前端信號調(diào)理電路用同一隔離電源供電，與后級數(shù)字信號處理電路隔離。AD7264的數(shù)據(jù)接口為串行接口，便于隔離處理。
數(shù)字信號處理電路選擇帶有CPU軟核的FPGA。FPGA是智能式變送器的核心，它不但能對采樣數(shù)據(jù)進行計算、存儲和數(shù)據(jù)處理，還可以通過反饋回路對傳感器進行調(diào)節(jié)。在整個系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA主要實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的預處理。
智能式變送器有兩種輸出方式：模擬輸出和數(shù)字輸出。數(shù)字輸出將處理后的信號直接輸出，通過CAN接口、TCP／IP接口傳給上位機。模擬輸出通過DAC芯片將信號轉(zhuǎn)換成標準電壓電流信號輸出。