基于FPGA的智能變送器的設計與實(shí)現

摘要：根據工業(yè)應用的實(shí)際需要以及網(wǎng)絡(luò )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的總體方案，設計了以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，并給出了系統軟件流程圖，重點(diǎn)論述了數據采集和數據模擬輸出控制電路的FPGA實(shí)現，結合ISE10．1設計軟件給出了A／D、D／A的仿真結果。
關(guān)鍵詞：FPGA；智能變送器；數據采集；可編程邏輯器件

在工業(yè)自動(dòng)化控制系統中，過(guò)程參數壓力、差壓、絕對壓力、流量等工藝參數均要嚴格控制，而這類(lèi)參數的測量與監控大多使用變送器。變送器是玉業(yè)過(guò)程重要的基礎自動(dòng)化設備之一，是工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制中應用最廣、使用最多的一種現場(chǎng)儀表。隨著(zhù)高參數、大容量設備的增加和過(guò)程工藝的復雜化，變送器用量不斷增多。
隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，自控水平越來(lái)越高，對過(guò)程參數控制精度要求越來(lái)越嚴，要求變送器表不僅精度高，而且要功能多、穩定可靠、能準確傳送過(guò)程參數(壓力、差壓、絕壓、流量)、抗干擾能力強、使用維護簡(jiǎn)單，并能與控制器、執行器等設備組成功能強大的控制系統，實(shí)現通訊和過(guò)程的自動(dòng)控制。所以，過(guò)去的變送器由于受測量原理和通訊所限，很難實(shí)現這種高精度控制要求，因此，自然而然地產(chǎn)生了原理先進(jìn)具有通訊功能的智能變送器。這類(lèi)先進(jìn)的智能變送器集現代科技與一身，是微電子技術(shù)、精密機械加工技術(shù)、計算機技術(shù)和現代通訊技術(shù)完美結合的產(chǎn)物，能實(shí)現過(guò)程控制的多種要求，推動(dòng)了整個(gè)自控技術(shù)的向前發(fā)展。先進(jìn)的智能變送器是工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)發(fā)展的需要，也是工藝過(guò)程實(shí)現高精度控制的必須，具有很好的市場(chǎng)前景。
本文根據工業(yè)應用的實(shí)際需要以及網(wǎng)絡(luò )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的總體方案，硬件系統設計、軟件設計。該設計實(shí)現了系統MCU主控模塊、數據采集模塊、電源控制模塊、數據處理模塊、數據通信模塊等硬件電路，并給出了系統軟件流程圖，重點(diǎn)論述了數據采集和數據模擬輸出控制電路的FPGA實(shí)現，詳細闡述了系統各模塊電路的組成原理和實(shí)現方法，給出了整個(gè)電路系統的原理圖，并制作了印刷電路板。結合XILINX公司的ISE10．1設計軟件給出了模／數轉換、數／模轉換的仿真結果，驗證了系統功能。

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

分析不同類(lèi)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(lèi)，相應地設計了3種信號調理電路。以大型設備振動(dòng)監測項目為例，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理電路，變成統一規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(jìn)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、逐次逼近型模數轉換器，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理電路用同一隔離電源供電，與后級數字信號處理電路隔離。AD7264的數據接口為串行接口，便于隔離處理。
數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，它不但能對采樣數據進(jìn)行計算、存儲和數據處理，還可以通過(guò)反饋回路對傳感器進(jìn)行調節。在整個(gè)系統中，FPGA主要實(shí)現對系統的控制和數據的預處理。
智能式變送器有兩種輸出方式：模擬輸出和數字輸出。數字輸出將處理后的信號直接輸出，通過(guò)CAN接口、TCP／IP接口傳給上位機。模擬輸出通過(guò)DAC芯片將信號轉換成標準電壓電流信號輸出。