基于SOPC的現(xiàn)場總線多通道實時溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

引言

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中常見和最基本的參數(shù)之一，在生產(chǎn)過程中常常需要對溫度進行監(jiān)控。傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)，通常采用單片機或數(shù)字信號處理器DSP作為微控制器，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC及其他外圍設(shè)備的工作;但是，基于單片機或DSP的高速多路溫度采集系統(tǒng)都有一定的不足。由于單片機運行的時鐘頻率較低，并且單片機是基于順序語言的，各種功能都要靠軟件的運行來實現(xiàn)，因此隨著程序量的增加，如果程序的健壯性不好，會出現(xiàn)“程序跑飛”和“復(fù)位”現(xiàn)象。DSP的運算速度快，處理復(fù)雜的乘加運算有一定的優(yōu)勢，但是很難完成外圍設(shè)備的復(fù)雜硬件邏輯控制。因而單片機或DSP很難滿足在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場進行多路溫度采集時對實時性和同步性的要求。鑒于此，本文介紹一種基于SOPC技術(shù)的多通道實時溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)開發(fā)周期短、資源配置靈活、穩(wěn)定性良好，滿足了對溫度采集實時性和同步性有較高要求的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

溫度采集系統(tǒng)的硬件主要由溫度采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、FPGA邏輯控制模塊以及通信模塊組成，其總體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)上電后，先由靜態(tài)存儲器EPCS16自動將配置數(shù)據(jù)載入到FPGA(CycloneII系列的EP2C8Q208C)的SDRAM(HY57V641620)之中，即將固化在其中的數(shù)字邏輯電路映射到FPGA器件中。溫度傳感器單元AD590首先采集溫度信號，然后經(jīng)過信號調(diào)理電路的處理，使信號的輸出幅度滿足A/D采樣的量程要求。此時FPGA控制模擬選擇開關(guān)ADG706進行通道選擇，同時控制多片16位A/D轉(zhuǎn)換器ADS8402進行A/D轉(zhuǎn)換，并將采集到的實時數(shù)據(jù)分時存儲到兩片類型為FIFO、容量為16K×9位的存儲器IDT72V06中。然后，將其中處于讀狀態(tài)的IDT72V06中的數(shù)據(jù)讀取出來，并經(jīng)過FPGA控制SPC3通信模塊，通過PROFIBUS總線傳送至上位機。

2 溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 溫度采集模塊

溫度采集模塊由多片溫度傳感器單元、多路信號調(diào)理電路、多路模擬開關(guān)電路以及多路A/D轉(zhuǎn)換器四大部分組成。

溫度傳感器單元采用熱電偶。它具有以下優(yōu)點：測溫范圍寬，性能穩(wěn)定;測量精度高，熱電偶與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響;熱響應(yīng)時間快，熱電偶對溫度變化反應(yīng)靈活;測量范圍大，-40～+1600℃均可連續(xù)測溫;性能牢靠，機械強度好;壽命長，按裝方便，特別適合于在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中對溫度的實時檢測。

多路模擬開關(guān)電路選用16路模擬選擇開關(guān)ADG706。其4位地址位.A0、A1、A2、A3的輸入直接由FPGA的I/O端口CH0、CH1、CH2、CH3控制，決定16路輸入信號中要輸出的通道，每條通道選擇指令將同時啟動多片ADG706相應(yīng)的溫度采集通道。然后啟動相應(yīng)的溫度采集通道進行A/D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用高速逐次逼近寄存器(SAR)類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器ADS8402，多片ADS8402A/D轉(zhuǎn)換器的啟動轉(zhuǎn)換引腳共用FPGA的一個I/O端口A/D Start。ADS8402A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高、低字節(jié)控制引腳BYTE及ADS8402的數(shù)據(jù)輸出控制，分別由FPGA單獨的I/O控制。FPGA每給A/DStart端口一個100ns的負脈沖，即可啟動多片ADS8402進行相應(yīng)通道上的數(shù)據(jù)采集。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過控制BYTE端口讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并暫存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元。

2.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

多通道采集信號的路數(shù)多、處理的數(shù)據(jù)量大，需要外擴數(shù)據(jù)存儲模塊來緩存FPGA處理結(jié)果。與此同時，由于上位機的多任務(wù)性，它不可能專一對并行口讀取數(shù)據(jù)，為了保證FPGA控制核心與上位機通信一次性讀取大量數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)用到了2片異步FIFO芯片IDT72V06，其存儲容量16K×9位，存取時間15 ns，其中一片用來對采集過來的數(shù)據(jù)進行存儲，另一片用來讀取存儲在FIFO中的采集數(shù)據(jù)，以便與上位機進行并行口通信。系統(tǒng)運行過程中，兩片F(xiàn)IFO位擴展進行雙緩存乒乓控制，輪流進行讀寫操作，可大大提高并口通信速度及數(shù)據(jù)吞吐量。

2.3 通信模塊

PROFIBUS—DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接方式，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級的分散I/O之間的通信而設(shè)計，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)自控系統(tǒng)和分散外圍I/O設(shè)備及智能現(xiàn)場儀表之間的高速數(shù)據(jù)通信。SPC3集成了全部的PROFIBUS—DP協(xié)議，SP C3在DP方式下將完成所有DP—SAP的設(shè)置。

SPC3內(nèi)部集成了1.5 KB的雙口RAM，包括參數(shù)寄存器、方式寄存器、狀態(tài)寄存器和中斷控制器等。SPC3內(nèi)部集成的看門狗定時器有3種工作狀態(tài)：波特率檢測、波特率控制和從站控制。內(nèi)部的USART可實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)流和串行數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)換，微順序控制器控制整個工作過程，空閑定時器直接控制串行總線時序。通信模塊的設(shè)計選用了PROFIBUS—DP專用通信協(xié)議芯片SPC3，這樣可加速通信的執(zhí)行，而且可以減輕微處理器的負擔(dān)。

2.4 FPGA邏輯控制模塊

基于FPGA的采集控制單元，采用自頂而下的模塊化設(shè)計方法，使用Verilog HDL語言完成各控制模塊的設(shè)計。FPGA邏輯控制模塊包括A/D采樣控制模塊、FIFO讀寫控制模塊和SPC3控制模塊。

2.4.1 A/D采樣控制模塊

A/D采樣控制模塊負責(zé)控制外部ADS8402芯片多路模擬輸入量的選通，并實現(xiàn)對A/D采樣過程的合理控制。

由于ADS8402對16通道的模擬量采取分時轉(zhuǎn)換的方式，因此在啟動轉(zhuǎn)換的同時還要進行通道選擇。ADS8402設(shè)置了4根通道地址線A0、A1、A2、A3，以及地址鎖存允許信號ALE。當(dāng)ALE變高時，鎖存由A0、A1、A2、A3編碼所確定的通道號，將該通道的模擬量接入A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。依據(jù)這樣的特性，設(shè)計一個帶復(fù)位端的十六進制計數(shù)器，其計數(shù)輸出端Q3、Q2、Q1、Q0分別與ADS8402的4根地址線相連。計數(shù)器上電復(fù)位以確保系統(tǒng)從0號通道開始采樣。將ADS8402的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC作為計數(shù)器的時鐘信號，實現(xiàn)一路轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動啟動對下一路模擬輸入的采樣控制。

A/D采樣過程的控制采用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)，把某一通道的采樣過程劃分為7個狀態(tài)，如圖2所示。首先S0狀態(tài)對各個控制信號進行初始化。在S1狀態(tài)產(chǎn)生ALE信號的上升沿，鎖存通道地址。啟動信號START應(yīng)在產(chǎn)生ALE信號的同一時鐘下降沿產(chǎn)生，由于VHDL語言在同一進程內(nèi)不允許時鐘的兩個沿作為敏感變量，所以將產(chǎn)生START信號單列為一個狀態(tài)S2，啟動轉(zhuǎn)換。在啟動轉(zhuǎn)換后，ADS8402使EOC置為低電平，設(shè)置S3狀態(tài)等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC信號由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，狀態(tài)機進入S4狀態(tài)，開啟輸出允許OE。狀態(tài)機進入S5狀態(tài)，開啟數(shù)據(jù)鎖存信號LOCK鎖存數(shù)據(jù)。為產(chǎn)生與其他進程通信的信號，狀態(tài)機設(shè)置S6作為最后一個狀態(tài)，然后跳轉(zhuǎn)回SO初始狀態(tài)。

2.4.2 FIFO讀寫控制模塊

采用2片F(xiàn)IFO輪流讀寫操作，實現(xiàn)FPGA與PC機之間的數(shù)據(jù)緩存。乒乓傳輸控制原理示意圖如圖3所示，圖中的實線箭頭與虛線箭頭分別代表不同的讀寫數(shù)據(jù)周期。輸入數(shù)據(jù)流通過輸入數(shù)據(jù)流選擇單元，等時地將數(shù)據(jù)流分配到FIFO1、FIFO2中。在第1個緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到FIFO1。在第2個緩沖周期，通過輸入數(shù)據(jù)流選擇單元的切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到FIFO2，與此同時，將FIFO1緩存的第1個周期的數(shù)據(jù)通過輸出數(shù)據(jù)流選擇單元的選擇，送到數(shù)據(jù)流運算處理模塊被運算處理。在第3個緩沖周期，通過輸入數(shù)據(jù)流選擇單元的再次切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到FIFO1，與此同時，將FIFO2緩存的第2個周期的數(shù)據(jù)通過輸出數(shù)據(jù)流選擇單元的切換，送到數(shù)據(jù)流運算處理模塊被運算處理。如此循環(huán)，周而復(fù)始。

2.4.3 SPC3控制模塊

由于SPC3集成了完整的DP協(xié)議，因此在進行通信時，F(xiàn)PGA不用參與處理DP狀態(tài)機。主要任務(wù)是根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷，將SPC3接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，組織要通過SPC3發(fā)給的數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求組織外部診斷。在SPC3正常工作之前，需要進行初始化，以配置需要的寄存器，包括設(shè)置協(xié)議芯片的中斷允許，寫入從站識別號和地址，設(shè)置SPC3方式寄存器，設(shè)置診斷緩沖區(qū)，配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)、初始化長度，并根據(jù)以上初始值得出各個緩沖區(qū)的指針和輔助緩沖區(qū)的指針。通信模塊的控制流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)

3.1 Nios II系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

Nios II系統(tǒng)模塊包含：Nios II處理器、Avalon總線、并行輸入/輸出口PIO、串行外圍設(shè)備接口SPI、定時器Timer、片內(nèi)存儲器EPCS、片外存儲器SDRAM、PROFIBUS-DP的客戶定制邏輯。由Nios II處理器完成程序控制，主要負責(zé)對溫度的采集與數(shù)據(jù)存儲操作，并控制PROFIBUS -DP的通信過程。其架構(gòu)如圖5所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

Nios II處理器的軟件設(shè)計是在軟核內(nèi)存放一段編寫的C/C++語言控制程序。來控制系統(tǒng)運行，它可以讀寫芯片的存儲單元，同時與外圍的設(shè)備進行通信。在本系統(tǒng)中，Nios II程序的任務(wù)是：在規(guī)定的周期內(nèi)，F(xiàn)PGA通過通信模塊接收上位機發(fā)出的采樣任務(wù)及控制參數(shù)，然后控制模擬選擇開關(guān)ADG706和A/D轉(zhuǎn)換器ADS8402，使它們對選定通道的模擬信號進行調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換，并讀取采樣數(shù)據(jù)以乒乓傳輸數(shù)據(jù)方式傳送至片外FIFO緩存，再通過PROFIBUS—DP通信接口將采樣數(shù)據(jù)傳輸至上位機。主程序流程如圖6所示。

結(jié)語

基于FPGA的多通道實時溫度采集系統(tǒng)以Nios II軟核處理器實現(xiàn)SOPC，進一步簡化了硬件設(shè)計。與傳統(tǒng)的基于MCU的多通道溫度采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有資源配置靈活、運行穩(wěn)定可靠、實時性強等優(yōu)點。另外，該系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS—DP接口，作為一個DP從站實現(xiàn)與多種DP主站的通信，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的PROFIBUS分布式控制系統(tǒng)中。