根據(jù)工業(yè)應(yīng)用的實際需要以及網(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(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。
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(yán)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(yīng)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(fù)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(yán)，要求變送器表不僅精度高，而且要功能多、穩(wěn)定可靠、能準(zhǔn)確傳送過程參數(shù)(壓力、差壓、絕壓、流量)、抗干擾能力強(qiáng)、使用維護(hù)簡單，并能與控制器、執(zhí)行器等設(shè)備組成功能強(qiáng)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(jìn)具有通訊功能的智能變送器。這類先進(jìn)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(jī)械加工技術(shù)、計算機(jī)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(jìn)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(yīng)用的實際需要以及網(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(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(xì)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(yīng)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(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(shù)轉(zhuǎn)換器，采用5V單電源供電，采樣速率高達(dá)1MSPS。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(jìn)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(jìn)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(yù)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(jī)。模擬輸出通過DAC芯片將信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓電流信號輸出。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)
智能變送器具有采集、處理、指示、通訊等功能，其硬件設(shè)計圍繞功能進(jìn)行。整個智能變送器單元根據(jù)所完成的功能分為以下幾個主要功能模塊：信號采集模塊(傳感器放大電路)、信號轉(zhuǎn)換模塊(模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路)、FPGA控制模塊、通信模塊(以太網(wǎng)和CAN總線通信)以及為整個系統(tǒng)提供電源的電路部分等。其中FPGA系統(tǒng)為整個控制器單元的核心，是變送器實現(xiàn)數(shù)字智能化的標(biāo)志。
智能變送器的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。變送器工作時，由傳感器把被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后將信號作A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號變換成數(shù)字信號，送入到FPGA(XC3S4005PQ205)控制模塊，F(xiàn)IGA通過FIR濾波器核對信號進(jìn)行濾波，并通過查表法對信號進(jìn)行自動補(bǔ)償，然后根據(jù)實際需要。經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)傳給下級電路，同時也可能通過以太網(wǎng)或CAN總線傳給局域網(wǎng)，實現(xiàn)智能變送功能。系統(tǒng)PCB板實物圖如圖3所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與仿真
該系統(tǒng)以XILINX公司的XC3S4005PQ208C作為中央處理器，整個系統(tǒng)主要包括初始狀態(tài)(Initialization)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)(Data_Sample)、數(shù)據(jù)處理狀態(tài)(Data_Processing)、以太網(wǎng)傳輸狀態(tài)(Enet_Transfers)、CAN總線傳輸狀態(tài)(CAN_Transfers)、和模擬輸出狀態(tài)(Analog_ Transfers)等6種狀態(tài)，因此，可以利用有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計方案來實現(xiàn)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示，通過開發(fā)工具ISE10.1對各個模塊的VHDL源程序及頂層電路進(jìn)行編譯、邏輯綜合，電路的糾錯、驗證、自動布局布線及仿真等各種測試，最終將設(shè)計編譯的數(shù)據(jù)下載到芯片中即可。
初始狀態(tài)：實現(xiàn)系統(tǒng)初始化;數(shù)據(jù)采集狀態(tài)：完成數(shù)據(jù)采集過程;數(shù)據(jù)處理狀態(tài)：對采集的信號進(jìn)行一系列的濾波處理，非線性校正等;以太網(wǎng)傳輸狀態(tài)，CAN總線傳輸狀態(tài)：根據(jù)實際需要將信號數(shù)字輸出;模擬輸出狀態(tài)：進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓電流信號。
3.1 數(shù)據(jù)采集的FPGA設(shè)計
數(shù)據(jù)采集是工業(yè)測量和控制系統(tǒng)中的重要部分，它是測控現(xiàn)場的模擬信號源與上位機(jī)之間的接口，其任務(wù)是采集現(xiàn)場連續(xù)變化的被測信號。對數(shù)字系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)采集主要由傳感器放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，由硬件電路可見，系統(tǒng)通過AD7264模/數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7264內(nèi)含6個寄存器，分別是A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果寄存器、控制寄存器、A/D轉(zhuǎn)換器A和B的內(nèi)部失調(diào)寄存器、A/D轉(zhuǎn)換器A和B通道的外部增益寄存器。由于XC3S4005PQ208C和AD7264都兼容SPI接口，兩者的編程只需按照時序圖進(jìn)行即可。AD7264與FPGA的接口主要包括PD0數(shù)據(jù)輸入選擇端：DoutA(DoutB)兩路數(shù)據(jù)輸出端;OUTa(OUTb)兩路數(shù)據(jù)輸入端;CoutA(CoutB、CoutC、CoutD)比較器輸出;G3(G2、G1、G0)四路增益控制輸入信號。增益由控制寄存器的低四位控制;ADSCLK時鐘信號;ADCS片選信號，低電平有效。AD7264工作頻率為20 MHz，在CS下降沿，跟蹤保持器處于保持模式。此時，采樣、轉(zhuǎn)換同時被初始化模擬輸入。這需要至少19個SCLK周期。第19個SCLK的下降沿到來時。AD7262恢復(fù)至跟蹤模式，并設(shè)置DOUTA、DOUTB為使能。數(shù)據(jù)流由14位組成，MSB在前。圖5為AD7264讀寄存器時序仿真圖。
3.2 數(shù)據(jù)輸出的FPGA實現(xiàn)
智能化信號調(diào)理器的輸出分為數(shù)字輸出和模擬輸出，數(shù)字輸出通過CAN接口和TCP/IP輸出到上位機(jī)，或者通過總線方式輸出;模擬輸出通過DA轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓電流信號輸出。系統(tǒng)選用ADI公司AD5422數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換。AD5422通過數(shù)據(jù)移位寄存器輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在串行時鐘輸入SCLK的控制下首先作為24位字載入器件MSB中。數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿逐個輸入。該24位字在LATCH引腳的上升沿?zé)o條件鎖存，然后數(shù)據(jù)繼續(xù)逐個輸入，此時與LATCH的狀態(tài)無關(guān)。圖6為AD5422寫操作時序仿真圖。
4 結(jié)束語
采用XILINX公司的ISE10.1設(shè)計軟件及MODELSIM軟件對系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試仿真，給出了試驗結(jié)果，驗證了系統(tǒng)功能。并運(yùn)用美國PCB公司的608A11作為加速度傳感器。對設(shè)備的振動進(jìn)行監(jiān)測，其模擬輸出的測試結(jié)果如表1所示。
最終的調(diào)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計的智能變送器器能夠穩(wěn)定的實現(xiàn)溫度、壓力等變量的變送，并且頻率、幅值的調(diào)節(jié)精度等技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。
