基于FPGA的智能变送器的设计与实现

摘要：根据工业应用的实际需要以及网络通信发展的功能要求，提出了基于FPGA智能变送器控制系统的总体方案，设计了以XILINX公司的Spartan3系列XC3S4005PO208C可编程逻辑器件为主控制器、DM9000A为以太网通信接口、SJA1000为CAN控制器的硬件系统，并给出了系统软件流程图，重点论述了数据采集和数据模拟输出控制电路的FPGA实现，结合ISE10．1设计软件给出了A／D、D／A的仿真结果。
关键词：FPGA；智能变送器；数据采集；可编程逻辑器件

在工业自动化控制系统中，过程参数压力、差压、绝对压力、流量等工艺参数均要严格控制，而这类参数的测量与监控大多使用变送器。变送器是玉业过程重要的基础自动化设备之一，是工业过程自动控制中应用最广、使用最多的一种现场仪表。随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂化，变送器用量不断增多。
随着工业自动化控制技术的发展，自控水平越来越高，对过程参数控制精度要求越来越严，要求变送器表不仅精度高，而且要功能多、稳定可靠、能准确传送过程参数(压力、差压、绝压、流量)、抗干扰能力强、使用维护简单，并能与控制器、执行器等设备组成功能强大的控制系统，实现通讯和过程的自动控制。所以，过去的变送器由于受测量原理和通讯所限，很难实现这种高精度控制要求，因此，自然而然地产生了原理先进具有通讯功能的智能变送器。这类先进的智能变送器集现代科技与一身，是微电子技术、精密机械加工技术、计算机技术和现代通讯技术完美结合的产物，能实现过程控制的多种要求，推动了整个自控技术的向前发展。先进的智能变送器是工业过程控制技术发展的需要，也是工艺过程实现高精度控制的必须，具有很好的市场前景。
本文根据工业应用的实际需要以及网络通信发展的功能要求，提出了基于FPGA智能变送器控制系统的总体方案，硬件系统设计、软件设计。该设计实现了系统MCU主控模块、数据采集模块、电源控制模块、数据处理模块、数据通信模块等硬件电路，并给出了系统软件流程图，重点论述了数据采集和数据模拟输出控制电路的FPGA实现，详细阐述了系统各模块电路的组成原理和实现方法，给出了整个电路系统的原理图，并制作了印刷电路板。结合XILINX公司的ISE10．1设计软件给出了模／数转换、数／模转换的仿真结果，验证了系统功能。

1 智能变送器的总体设计
本智能变送器由前端信号调理电路、高速A／D采样电路、数字信号处理电路、模拟输出电路和数字输出电路组成。如图1所示。

分析不同类型的传感器，其输出信号可分为电流信号、电压信号和电荷信号3大类，相应地设计了3种信号调理电路。以大型设备振动监测项目为例，县体的传感器有加速度、速度和位移传感器。选择不同的前端信号调理电路，变成统一规格的电压信号供后面的A／D采样。
A／D采样部分对前端电路的输出电压信号进行采样。A／D采样芯片采用ADI公司的AD7264，AD7264是双通道同步采样、14-bit、高速、低功耗、逐次逼近型模数转换器，采用5V单电源供电，采样速率高达1 MSPS。A／D采样电路与前端信号调理电路用同一隔离电源供电，与后级数字信号处理电路隔离。AD7264的数据接口为串行接口，便于隔离处理。
数字信号处理电路选择带有CPU软核的FPGA。FPGA是智能式变送器的核心，它不但能对采样数据进行计算、存储和数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。在整个系统中，FPGA主要实现对系统的控制和数据的预处理。
智能式变送器有两种输出方式：模拟输出和数字输出。数字输出将处理后的信号直接输出，通过CAN接口、TCP／IP接口传给上位机。模拟输出通过DAC芯片将信号转换成标准电压电流信号输出。