基于FPGA與AD5422的PLC模擬量擴(kuò)展單元的設(shè)計(jì)　

　　表1列舉了模擬量輸出規(guī)格，包括量程、用戶分辨率、用戶編程的數(shù)據(jù)范圍等。

　　可見因?yàn)槲覀兘oPLC編程的數(shù)據(jù)和最終送給AD5422芯片的數(shù)據(jù)有一定的區(qū)別，則對(duì)于數(shù)據(jù)處理來說，我們需要完成以下幾個(gè)功能：

　　1)識(shí)別數(shù)據(jù)有效性：PLC給用戶1/12000的分辨率和控制字并不能占用0x0000-0xFFFF全部范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，也就是說存在一部分的輸入數(shù)據(jù)是非法的無效的，需要在經(jīng)過處理前識(shí)別出來，避免后續(xù)處理出錯(cuò)，FPGA設(shè)計(jì)通過數(shù)據(jù)比較輸出數(shù)據(jù)有效或者無效判斷，當(dāng)然設(shè)計(jì)可以選擇無效數(shù)據(jù)丟失或者輸出報(bào)警信號(hào)。

　　2)雙極性轉(zhuǎn)換：對(duì)應(yīng)雙極性輸出數(shù)據(jù)中的-10~+10V的數(shù)據(jù)范圍是十六進(jìn)制的0xE890到0x1770 對(duì)應(yīng)十進(jìn)制的-6000到+6000，而AD5422的-10V-+10V對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍是十六進(jìn)制的0x000-0xFFFF是單極性的，所以先要給雙極性的原始數(shù)據(jù)加上十進(jìn)制的6000，統(tǒng)一輸入為十六進(jìn)制的0x0000-0x2EE0，對(duì)應(yīng)十進(jìn)制的0-12000。

　　3)數(shù)據(jù)擴(kuò)充：通過乘法器實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的擴(kuò)充，從給用戶的十六進(jìn)制0x0000-0x2EE0需要對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換到十六進(jìn)制0x0000-0xFFFF。特別地，對(duì)于1~5V量程來說因?yàn)檩敵鲇袀€(gè)1V的基準(zhǔn)量，在適用AD5422的0~5V量程時(shí)通過擴(kuò)展到AD5422對(duì)應(yīng)的0~4V量程，即十六進(jìn)制的0x0000-0xCCCC，當(dāng)然，這一步的處理需要在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)硬件乘法器，使得每個(gè)量程都能乘上響應(yīng)的系數(shù)完成數(shù)據(jù)擴(kuò)充工作。

　　4)添加偏移量：對(duì)于1~5V量程來說這個(gè)1V的基準(zhǔn)量是始終存在的，這就需要在完成數(shù)據(jù)擴(kuò)充后添加偏移量，其他量程則不需要這個(gè)偏移量的添加。

2.2 FPGA其余需要添加的功能塊還包括

　　1)控制字識(shí)別模塊：針對(duì)獲得的命令控制字，需要能甄別，并且分離出每個(gè)通道的量程和使能信息，在獲得合法的控制字后才能通知初始化模塊開始正常的數(shù)據(jù)運(yùn)行。對(duì)于非法的控制字信息也能報(bào)錯(cuò)并停機(jī)。

　　2)初始化模塊：在上電后初始化每一個(gè)DAC芯片，包括復(fù)位芯片，開啟菊花鏈?zhǔn)鼓埽蹇蛰敵鰯?shù)據(jù)寄存器等操作^[1]。

　　3)SPI接口模塊：該模塊能自動(dòng)的將處理完成的數(shù)據(jù)添加字頭地址并發(fā)送，而且能夠配合初始化模塊完成DAC的初始化工作。在完成數(shù)據(jù)發(fā)送后最好還可以自動(dòng)回讀DAC的狀態(tài)信息了解DAC是否過熱，電流環(huán)開路等信息。在處理完成所有工作后，自動(dòng)的提供一個(gè)幀復(fù)位信號(hào)給狀態(tài)機(jī)完成一幀數(shù)據(jù)的處理工作。

　　4)時(shí)鐘控狀態(tài)機(jī)：該模塊能協(xié)調(diào)每個(gè)模塊的工作順序，使這個(gè)機(jī)制在數(shù)據(jù)幀能順利工作并且自動(dòng)復(fù)位。

　　5)通道識(shí)別模塊：對(duì)于多通道數(shù)據(jù)使用同一個(gè)數(shù)據(jù)處理線來說，要有效的識(shí)別通道，通知各模塊裝載對(duì)應(yīng)的量程控制字和控制SPI模塊的菊花鏈數(shù)據(jù)裝載順序。 圖4是FPGA內(nèi)部整體處理機(jī)制的結(jié)構(gòu)圖。

3 FPGA仿真測(cè)試

　　通過Verilog HDL語言編寫相關(guān)的硬件描述語言模塊，并綜合生成實(shí)例。圖5是FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)DAC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理的實(shí)例模塊，也是本設(shè)計(jì)的核心模塊，其相應(yīng)的輸入端口包括：模塊復(fù)位rst_n;模塊主時(shí)鐘輸入mclki;通道1的總線送來的十六位數(shù)據(jù)BUSdata1[15:0];通道2的總線送來的十六位數(shù)據(jù)BUSdata2[15:0];2個(gè)DAC通道的配置數(shù)據(jù)(包括量程和使能信號(hào))configdata[7:0] ;轉(zhuǎn)換使能信號(hào)start;相應(yīng)的輸出信號(hào)包括送往SPI通信模塊發(fā)送給DAC1的數(shù)據(jù)Txdata1[15:0];發(fā)送給DAC2的數(shù)據(jù)Txdata2[15:0]，以及轉(zhuǎn)換完成的使能信號(hào)TXok。

　　使用ModelSim軟件對(duì)FPGA內(nèi)部的處理機(jī)制進(jìn)行仿真測(cè)試，圖6是SPI端口對(duì)DAC進(jìn)行初始化的時(shí)序仿真結(jié)果。包括發(fā)送0x560001 進(jìn)行復(fù)位功能，發(fā)送0x560000 取消復(fù)位功能，發(fā)送0x550008 開啟菊花鏈?zhǔn)鼓艿炔僮鳌?/p>

　　圖7顯示了FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的仿真測(cè)試結(jié)果，我們先預(yù)設(shè)了DAC工作在-10～10V量程下，并在該模式下給FPGA送入十進(jìn)制的6000 對(duì)應(yīng)0x1770 代表要求DAC輸出正10V滿量程，計(jì)算結(jié)果輸出是有符號(hào)數(shù)的0x7FFF，說明和預(yù)期結(jié)果一致，即這部分功能模塊可以正常工作。

　　樣機(jī)測(cè)試使用Microsemi的FPGA為處理核心，使用Libero SoC開發(fā)平臺(tái)下移植了以上設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)體電路的運(yùn)行，圖8為樣機(jī)的實(shí)物照片，左邊為頂層FPGA板，右邊為底層模擬量輸出板。其中模擬部分的硬件設(shè)計(jì)可以參考EVAL-AD5422^[3]。另外，注意要做好輸出ESD保護(hù)對(duì)策。圖9顯示了該樣機(jī)輸出0~10V階躍信號(hào)的實(shí)測(cè)波形，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，完成了相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)任務(wù)。

4 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)憑借FPGA強(qiáng)大的硬件可編程能力，在硬件設(shè)計(jì)方面直接省略了一顆MCU處理器及相關(guān)配套的硬件，既可以極度的精簡(jiǎn)物料表。提升整體硬件可靠性，降低系統(tǒng)功耗，又不用擔(dān)心MCU會(huì)存在死機(jī)等實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

　　對(duì)于數(shù)據(jù)處理交由FPGA來實(shí)現(xiàn)，既可更嚴(yán)格的管理完善整體系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序。而且輸入輸出數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性更差，這樣整個(gè)設(shè)計(jì)具有更好的保密性。利用FPGA的靈活性，使電子設(shè)計(jì)能夠在很短的周期內(nèi)完成^[4]，而且FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)硬件乘法器，加法器等硬件模塊可以極大的提升數(shù)據(jù)處理速度，從而提升系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間^[5]。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]AD5422 Datasheet[Z] Analog Devices, Inc.

　　[2]于笑凡,費(fèi)樹岷.基于FPGA 與AD5422 的多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與信息化,2013(6): 53-55.

　　[3]UG-422:Evaluating the AD5422 Single Channel,16Bit,Current Source and Voltage Output DAC,HART Connectivity.[Z] Analog Devices, Inc.

　　[4]王玨文,金偉信,蔡一兵,等.基于FPGA的SPI總線接口的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(14):102-104.

　　[5]周維龍.基于FPGA 的智能變送器的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2010:18-22.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第61頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。