基于FPGA與AD5422的PLC模擬量擴展單元的設計　

作者/ 鮑長(cháng)君 上海龍誠自動(dòng)化系統有限公司(上海 200086)

鮑長(cháng)君(1985-)，男，碩士，中級工程師，研究方向：嵌入式系統。

摘要：本文設計了一種以FPGA為核心，基于AD5422實(shí)現多路高精度輸出的PLC模擬量擴展單元模塊。設計先對現有的方案進(jìn)行了分析和討論，之后對FPGA內部相關(guān)處理機制和實(shí)現方案做了詳盡的論述，經(jīng)過(guò)仿真和測試驗證了設計的可行性。相比于傳統的模擬量擴展單元模塊，本系統具有處理速度快、方便、靈活，電路精簡(jiǎn)，抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統總體設計

1.1 方案論述

　　工業(yè)自動(dòng)化控制系統經(jīng)常需要用到4~20mA 或者±5V等模擬量信號，用以控制變頻器等需要模擬信號輸入控制的設備，而模擬量擴展單元也是PLC產(chǎn)品重要的擴展單元之一。一個(gè)良好的模擬量擴展單元產(chǎn)品的設計希望不僅能夠保證系統運行的可靠性，還希望系統設計能夠非常精簡(jiǎn)，有足夠的魯棒和可擴展性，在成本性、能等各方面組合成一個(gè)最優(yōu)的結果。是PLC模擬量擴展單元產(chǎn)品設計一直追求和努力的方向。

　　傳統的模擬量輸出擴展單元結構如圖1，其工作原理是：1、FPGA將擴展通信總線(xiàn)上的數據通過(guò)SPI通信隔離器進(jìn)行電器隔離，然后將數據交互給MCU;2、由MCU負責數據的轉換和進(jìn)行相關(guān)的配置工作，并通過(guò)MCU的SPI接口控制輸出的DAC獲得相應的模擬電壓或者電流輸出值。

　　不難看出，FPGA和MCU之間通過(guò)SPI通信，MCU和DAC之間也通過(guò)SPI通信，如果我們能把MCU的工作都集成到FPGA內完成，那方案就可以省略MCU，由FPGA直接控制DAC實(shí)現功能。但是在省略MCU前要對現有方案做以下進(jìn)一步的分析。

1.2 實(shí)現多DAC的SPI接口級聯(lián)方式

　　在使用傳統MCU控制DAC的回路設計時(shí)，MCU有足夠的IO口可以單獨或者級聯(lián)控制DAC芯片，但是如果換用FPGA來(lái)直接替換MCU控制，則會(huì )因為需要更多的數據隔離通道使得物料成本上升，因此，若想FPGA直接控制DAC，則最好所有的DAC能進(jìn)行級聯(lián)設計，即通過(guò)一個(gè)SPI隔離器和少數光耦實(shí)現全部的通信和控制功能。

　　參考AD5422 芯片數據手冊，實(shí)際上該芯片具有多片菊花鏈連接方式，只要設計得當，多個(gè)DAC就可以在同一個(gè)SPI接口上級聯(lián)工作，圖2是AD5422的原廠(chǎng)數據表關(guān)于菊花鏈連接的結構圖^[1]。

1.3 每個(gè)DAC的硬件清零信號處理方法

　　應對開(kāi)機復位或者某些緊急情況，DAC需要實(shí)現硬件清零工作。關(guān)于DAC硬件清零腳的設計，我們可以用FPGA閑置的IO腳通過(guò)光耦隔離后來(lái)控制它。當然若想每個(gè)DAC都可以獨立完成清零的工作，則需要由軟件通信的方法控制相應的寄存器來(lái)實(shí)現軟件清零。

1.4 MCU需要完成的任務(wù)內容

　　從PLC編程給模擬量輸出擴展的數據以及相應的AD5422原廠(chǎng)數據表看， MCU需要在這個(gè)中間環(huán)節完成以下幾個(gè)任務(wù)：

　　1)復位，取消復位，清零，初始化DAC芯片;

　　2)拆分SPI數據，完成各DAC量程，輸出使能等相關(guān)的配置工作;

　　3)完成數據轉換：包括單極性和雙極性數據轉換，數據位數擴充，數據加偏移量等工作;

　　4)完成DAC狀態(tài)相關(guān)回讀工作，包括DAC電流輸出斷線(xiàn)報警，芯片過(guò)熱等異常情況。

1.5 FPGA直接控制DAC的設計方案

　　綜合以上的設計分析，我們修改了整體硬件設計方案，由FPGA直接控制DAC的設計方案如圖3所示。這樣MCU要完成的工作就必須在FPGA內處理完成^[2]。

2 FPGA內部具體設計實(shí)現的方案

2.1 FPGA的數據處理流程