隨著工業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)通訊和過程的自動(dòng)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)過程控制的多種要求,，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)過程控制技術(shù)發(fā)展的需要，也是工藝過程實(shí)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(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(tǒng)的總體方案,，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),、軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)實(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn),，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)各模塊電路的組成原理和實(shí)現(xiàn)方法,，給出了整個(gè)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(jì)軟件給出了模/數(shù)轉(zhuǎn)換,、數(shù)/模轉(zhuǎn)換的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能,。

1 智能變送器的總體設(shè)計(jì)

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(jì)了3種信號調(diào)理電路。以大型設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測項(xiàng)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(jì)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(gè)系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA主要實(shí)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(jì)與實(shí)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(jì)圍繞功能進(jìn)行,。整個(gè)智能變送器單元根據(jù)所完成的功能分為以下幾個(gè)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(gè)系統(tǒng)提供電源的電路部分等。其中FPGA系統(tǒng)為整個(gè)控制器單元的核心,，是變送器實(shí)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(shí),，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(dòng)補(bǔ)償,，然后根據(jù)實(shí)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(shí)也可能通過以太網(wǎng)或CAN總線傳給局域網(wǎng),，實(shí)現(xiàn)智能變送功能,。系統(tǒng)PCB板實(shí)物圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與仿真

該系統(tǒng)以XILINX公司的XC3S4005PQ208C作為中央處理器,，整個(gè)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(jì)方案來實(shí)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(gè)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(cuò),、驗(yàn)證,、自動(dòng)布局布線及仿真等各種測試，最終將設(shè)計(jì)編譯的數(shù)據(jù)下載到芯片中即可,。

初始狀態(tài)：實(shí)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(shí)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(jì)

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(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7264內(nèi)含6個(gè)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(shí)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(shí)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(shí),，采樣、轉(zhuǎn)換同時(shí)被初始化模擬輸入,。這需要至少19個(gè)SCLK周期,。第19個(gè)SCLK的下降沿到來時(shí)。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(shí)序仿真圖,。

3.2 數(shù)據(jù)輸出的FPGA實(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)輸入,，此時(shí)與LATCH的狀態(tài)無關(guān),。圖6為AD5422寫操作時(shí)序仿真圖。

4 結(jié)束語

采用XILINX公司的ISE10.1設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果,，驗(yàn)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(dòng)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(jì)的智能變送器器能夠穩(wěn)定的實(shí)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(jì)要求,。