基于SOPC技術(shù)的多通道實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)

　　溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中常見和最基本的參數(shù)之一，在生產(chǎn)過(guò)程中常常需要對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控。傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)，通常采用單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為微控制器，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC及其他外圍設(shè)備的工作;但是，基于單片機(jī)或DSP的高速多路溫度采集系統(tǒng)都有一定的不足。由于單片機(jī)運(yùn)行的時(shí)鐘頻率較低，并且單片機(jī)是基于順序語(yǔ)言的，各種功能都要靠軟件的運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此隨著程序量的增加，如果程序的健壯性不好，會(huì)出現(xiàn)“程序跑飛”和“復(fù)位”現(xiàn)象。DSP的運(yùn)算速度快，處理復(fù)雜的乘加運(yùn)算有一定的優(yōu)勢(shì)，但是很難完成外圍設(shè)備的復(fù)雜硬件邏輯控制。因而單片機(jī)或DSP很難滿足在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多路溫度采集時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)性和同步性的要求。鑒于此，本文介紹一種基于SOPC技術(shù)的多通道實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)開發(fā)周期短、資源配置靈活、穩(wěn)定性良好，滿足了對(duì)溫度采集實(shí)時(shí)性和同步性有較高要求的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　溫度采集系統(tǒng)的硬件主要由溫度采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、FPGA邏輯控制模塊以及通信模塊組成，其總體架構(gòu)如圖1所示。

　　圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　系統(tǒng)上電后，先由靜態(tài)存儲(chǔ)器EPCS16自動(dòng)將配置數(shù)據(jù)載入到FPGA(CycloneII系列的EP2C8Q208C)的SDRAM(HY57V641620)之中，即將固化在其中的數(shù)字邏輯電路映射到FPGA器件中。溫度傳感器單元AD590首先采集溫度信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的處理，使信號(hào)的輸出幅度滿足A/D采樣的量程要求。此時(shí)FPGA控制模擬選擇開關(guān)ADG706進(jìn)行通道選擇，同時(shí)控制多片16位A/D轉(zhuǎn)換器ADS8402進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分時(shí)存儲(chǔ)到兩片類型為FIFO、容量為16K×9位的存儲(chǔ)器IDT72V06中。然后，將其中處于讀狀態(tài)的IDT72V06中的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，并經(jīng)過(guò)FPGA控制SPC3通信模塊，通過(guò)PROFIBUS總線傳送至上位機(jī)。

　　2溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1溫度采集模塊

　　溫度采集模塊由多片溫度傳感器單元、多路信號(hào)調(diào)理電路、多路模擬開關(guān)電路以及多路A/D轉(zhuǎn)換器四大部分組成。

　　溫度傳感器單元采用熱電偶。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫范圍寬，性能穩(wěn)定;測(cè)量精度高，熱電偶與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響;熱響應(yīng)時(shí)間快，熱電偶對(duì)溫度變化反應(yīng)靈活;測(cè)量范圍大，-40～+1600℃均可連續(xù)測(cè)溫;性能牢靠，機(jī)械強(qiáng)度好;壽命長(zhǎng)，按裝方便，特別適合于在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

　　多路模擬開關(guān)電路選用16路模擬選擇開關(guān)ADG706.其4位地址位。A0、A1、A2、A3的輸入直接由FPGA的I/O端口CH0、CH1、CH2、CH3控制，決定16路輸入信號(hào)中要輸出的通道，每條通道選擇指令將同時(shí)啟動(dòng)多片ADG706相應(yīng)的溫度采集通道。然后啟動(dòng)相應(yīng)的溫度采集通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用高速逐次逼近寄存器(SAR)類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器ADS8402，多片ADS8402A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引腳共用FPGA的一個(gè)I/O端口A/D Start.ADS8402A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高、低字節(jié)控制引腳BYTE及ADS8402的數(shù)據(jù)輸出控制，分別由FPGA單獨(dú)的I/O控制。FPGA每給A/DStart端口一個(gè)100ns的負(fù)脈沖，即可啟動(dòng)多片ADS8402進(jìn)行相應(yīng)通道上的數(shù)據(jù)采集。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過(guò)控制BYTE端口讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并暫存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元。

　　2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

　　多通道采集信號(hào)的路數(shù)多、處理的數(shù)據(jù)量大，需要外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊來(lái)緩存FPGA處理結(jié)果。與此同時(shí)，由于上位機(jī)的多任務(wù)性，它不可能專一對(duì)并行口讀取數(shù)據(jù)，為了保證FPGA控制核心與上位機(jī)通信一次性讀取大量數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)用到了2片異步FIFO芯片IDT72V06，其存儲(chǔ)容量16K×9位，存取時(shí)間15 ns，其中一片用來(lái)對(duì)采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，另一片用來(lái)讀取存儲(chǔ)在FIFO中的采集數(shù)據(jù)，以便與上位機(jī)進(jìn)行并行口通信。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，兩片F(xiàn)IFO位擴(kuò)展進(jìn)行雙緩存乒乓控制，輪流進(jìn)行讀寫操作，可大大提高并口通信速度及數(shù)據(jù)吞吐量。

　　2.3通信模塊

　　PROFIBUS—DP是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接方式，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)的分散I/O之間的通信而設(shè)計(jì)，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)自控系統(tǒng)和分散外圍I/O設(shè)備及智能現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的高速數(shù)據(jù)通信。SPC3集成了全部的PROFIBUS—DP協(xié)議，SP C3在DP方式下將完成所有DP—SAP的設(shè)置。

　　SPC3內(nèi)部集成了1.5 KB的雙口RAM，包括參數(shù)寄存器、方式寄存器、狀態(tài)寄存器和中斷控制器等。SPC3內(nèi)部集成的看門狗定時(shí)器有3種工作狀態(tài)：波特率檢測(cè)、波特率控制和從站控制。內(nèi)部的USART可實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)流和串行數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)換，微順序控制器控制整個(gè)工作過(guò)程，空閑定時(shí)器直接控制串行總線時(shí)序。通信模塊的設(shè)計(jì)選用了PROFIBUS—DP專用通信協(xié)議芯片SPC3，這樣可加速通信的執(zhí)行，而且可以減輕微處理器的負(fù)擔(dān)。