CN105425663A - 基于fpga的模拟量输出信号回读通道实时校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有技术中模拟量输出没有调校功能和靠单片机处理器的技术方案中多通道回读校准处理时间长的技术问题，本发明提供一种能够快速、实时对模拟量输出信号回读通道进行校准的基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准系统及方法。本发明提供一种基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准系统，所述系统包括：FPGA模块，数模转换模块，以及位于所述数模转换模块和所述FPGA模块之间的回读通道；所述FPGA模块设置有根据所述反馈模块输入至所述FPGA模块的内部偏移算法校准子模块，并且所述FPGA模块、所述回读通道和所述数模转换模块之间形成闭环控制；因此，可以对模拟参数输出进行实时校准，大幅提升回读检测精度。

Description

基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准系统及方法

技术领域

本发明涉及一种工控自动化的技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准系统及方法。

背景技术

现有的工控自动化技术领域中，模拟量输出的一般都是通过自身的回读通路对输出值进行回读检测。当模拟量输出通道输出时，输出量会经由回读通路回读，在处理器中将本次输出值和回读值进行比较，如果差值超出容限(在输出通道已经做过校准的情况下)，则认为回读检测超差；这种回读自检可以提高输出通道的自检覆盖率和可靠性。

例如，中国专利申请号为CN200910249911.7的专利中，公开了一种高可靠性模拟量输出装置，模拟量输出装置包括D/A转换模块、电流驱动输出模块、A/D输出回读模块、MCU、CPLD及通讯电路，电流驱动输出模块为电流驱动器，电流驱动器与信号连接器连接输出电流信号；D/A转换模块一端与电流驱动模块连接，另一端通过串行外围设备接口SPI与MCU连接；A/D输出回读模块一端与电流驱动模块连接，另一端与串行外围设备接口SPI连接；D/A转换模块通过SN1总线接收IO通信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过SPI口各通道输入DA芯片中控制DA输出，电流驱动电路模块上设有报警输出信号EFCM和EFLD及在电流输出总线末端设置信号回读输出信号，回读的输出信号经A/D输出回读模块处理，通过SPI口送回板卡MCU，MCU与通道设定值进行比较判断输出状态。

但是发明人在实现本发明的过程中发现，专利申请号为CN200910249911.7的专利中，仅仅对输出通道进行校准，而不考虑对回读通道的校准；回读通道没有设计调校功能，其精度主要是靠回读通道自身的性能进行保证。

一种可行的提升回读通道的精度的方法，可以采用处理器线性校准算法，在处理器中将回读数据进行校准；但是由于传统的控制模拟量通道输出的单片机处理器串行工作，在多通道回读均要做处理的情况下，处理时间大大增加，当通道过多时，处理时间会挤占正常工作周期，影响处理器的正常工作。

发明内容

为了解决现有技术中模拟量输出没有调校功能和靠单片机处理器的技术方案中多通道回读校准处理时间长的技术问题，本发明提供一种能够快速、实时对模拟量输出信号回读通道进行校准的基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案包括：

一方面，提供一种基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准系统，其特征在于，所述系统包括：

用于处理逻辑运算和/或主处理器的FPGA模块；

与所述FPGA模块连接的数模转换模块，所述数模转换模块用于将所述转换后的模拟信号输出至主处理器的外部；以及

位于所述数模转换模块和所述FPGA模块之间的回读通道；

位于所述回读通道和所述FPGA模块之间的模数转换模块；

其中，所述FPGA模块设置有根据所述反馈模块输入至所述FPGA模块的内部偏移算法校准子模块，并且所述回读通道、所述模数转换模块、所述FPGA模块和所述数模转换模块之间形成闭环控制。

进一步地，所述数模转换模块从所述FPGA模块接收的信号X，输出至外部的信号Y，其中，y＝f(x)，并且f(x)为线性函数；从所述数模转换模块输出回读通道的信号，输出至所述FPGA模块的信号Z，其中，z＝g(x)，并且g(x)也为线性函数；所述FPGA模块的校准模型为X＝αZ+β，并且修正因子α、β也为常数。

进一步地，所述FPGA模块的模拟量输出上限值为Xmax、下限值为Xmin；所述FPGA模块的的反馈信号的回读值分别对应为为Zmax，Zmin；其中：

修正因子 $\mathrm{\α}=\frac{Xmax-X\min }{Zmax-Z\min },$

修正因子 $\mathrm{\β}=\frac{X\min Zmax-X\max Z\min }{Z\max -Z\min }.$

进一步地，所述FPGA模块在上电时，主动提供一个Xmax和Xmin，读取相应的Zmax和Zmin，可以计算所述α、β的值。

进一步地，所述FPGA模块可以对所述数模转换模块中的多通道同时进行闭环控制。

采用本发明提供的上述技术方案，可以至少获得以下有效果中的一种：

1、对模拟参数输出进行实时校准，可以大幅提升回读检测精度。

2、对模拟参数实时校准的同时，不影响正常功能运行。

3、整个校准过程全部自动执行，不需要特殊的工装和人力介入。

4、FPGA处理速度快，可以胜任回读自检测的所有工作，对于检测尤其是校准，参数计算等算法上有很大的优势；其中，一个乘法可以最快在2～3个时钟周期内完成(ns级)。

另一方面，本发明还提供一种基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准方法，其特征在于，所述方法包括：

一、FPGA模块将运算后的数字信号输入数模转换模块；

二、所述数模转换模块将转换后的模拟参数输入至回读通道，并通过所述回读通道反馈至所述模数转换模块；

三、所述FPGA在上电时计算校准参数；

四、所述FPGA模块基于校准参数，将模数转换模块回读的信号进行校准；然后将校准后的数据做为回读所得真实输出端数据，并将所述校准后的数据用于通道回读自检。

进一步地，所述数模转换模块从所述FPGA模块接收的信号X，输出至外部的信号Y，其中，y＝f(x)，并且f(x)为线性函数；从所述数模转换模块输出回读通道的信号，输出至所述FPGA模块的信号Z，其中，z＝g(x)，并且g(x)也为线性函数；所述FPGA模块的校准模型为X＝αZ+β，并且修正因子α、β也为常数。

进一步地，所述FPGA模块的模拟量输出上限值为Xmax、下限值为Xmin；所述FPGA模块的的反馈信号的回读值分别对应为为Zmax，Zmin；其中：

修正因子 $\mathrm{\α}=\frac{Xmax-X\min }{Zmax-Z\min },$

修正因子 $\mathrm{\β}=\frac{X\min Zmax-X\max Z\min }{Z\max -Z\min }.$

采用本发明提供的上述技术方案，提供了一种自动执行模拟参数实时校准的方法，大幅提升回读检测精度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释；并且只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组控制器可执行指令的控制系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

下面通过附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述：

如图1所示，本实施例提供一种基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准系统，该系统包括：

用于处理逻辑运算和/或主处理器的FPGA模块101；

与FPGA模块101连接的数模转换模块，即模数转换器102；模数转换器102用于将转换后的模拟信号输出至主处理器的外部；以及

位于数模转换器102和FPGA模块101之间的回读通道104；优选地，在回读通道104和FPGA模块101之间还可以设置有模数转换模块，即模数转换器103；

其中，FPGA模块101设置有根据反馈模块输入至FPGA模块的内部偏移算法校准子模块(下文会有详细的介绍)，使得FPGA模块101、模数转换器102和数模转换模块103和回读通道104之间形成闭环控制。

优选地，数模转换模块104从FPGA模块101接收的信号X，输出至外部的信号Y，其中，y＝f(x)，并且f(x)为线性函数(图1中的A段信号通路)；从数模转换模块104输出回读通道的信号，输出至FPGA模块的信号Z，其中，z＝g(x)，并且g(x)也为线性函数(图1中的B段信号通路)；FPGA模块的内部偏移算法校准子模块的校准模型为X＝αZ+β，并且α、β也为常数。更具体地：

假设FPGA输出为X，该值经过A路的线性偏差后，Y值变为如下式，

Y＝aX+b

而后经过B通路的线性偏差，传至FPGA的值Z为

Z＝a'Y+b'

则有

Z＝a'Y+b'＝a'(aX+b)+b＝(a'a)X+(a'b+b)

可以看出，Z值也可以变为

Z＝a”X+b”

对于这种线性偏差可以通过FPGA内部的校准算法(即FPGA模块的内部偏移算法校准子模块)进行校准；且校准的公式可以设置成如下的形式：

X＝αZ+β

因此，该校准过程可以通过闭环控制的方式，在FPGA模块内部进行；通过校准，FPGA将采到的Z值转化为X值，从而达到将模拟量输出信号(数模转换模块102输出至外部的信号)回读值和实际输出值进行对应的目的。

优选地，FPGA模块的模拟量输出上限值为Xmax、下限值为Xmin；FPGA模块的的反馈信号的回读值分别对应为为Zmax，Zmin；其中：

$\mathrm{\α}=\frac{Xmax-X\min }{Zmax-Z\min },$

$\mathrm{\β}=\frac{X\min Zmax-X\max Z\min }{Z\max -Z\min }.$

优选地，FPGA模块上电时(运算周期之前)主动提供一个Xmax和Xmin，读取相应的Zmax和Zmin，计算α、β的值。

优选地，FPGA模块可以对数模转换模块中的多通道同时进行闭环控制。具体地，FPGA模块有多个管脚，可以同时内部并行工作，对于多通道数据可以直接将每一个通道的数据都输入到FPGA的不同管脚中，FPGA在每一个工作周期，都可以将不同通道的校准工作同时进行，而不是一个通道一个通道的进行。这样可以把多通道的工作时间压缩到一个通道的时间，提升效率，所以对于处理有时间要求的场合，尤其需要该优选的技术方案。

采用本发明实施例提供的上述技术方案，可以至少获得以下有效果中的一种：

1、对模拟参数输出进行实时校准，可以大幅提升回读检测精度。

2、对模拟参数实时校准的同时，不影响正常功能运行。

3、整个校准过程全部自动执行，不需要特殊的工装和人力介入。

4、FPGA处理速度快，可以胜任回读自检测的所有工作，对于检测尤其是校准，参数计算等算法上有很大的优势；其中，一个乘法可以最快在2～3个时钟周期内完成(ns级)。

另一方面，如图2所示，本实施例还提供一种基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准方法，该方法包括：

S101、上电主动进行一次通道校准参数计算，计算出α、β值。

S102、将待输出数字信号输入至数模转换模块：

FPGA模块101将数字信号输入数模转换器102，即输出上述的信号X的步骤；

S103、将转换后的模拟参数输入至回读通道：

数模转换器102将转换后的模拟参数输入至回读通道104，并将模拟信号转换成数字信号，即得到上述的信号Z的步骤；

S104、对回读值Z进行校准，将校准后的结果用于通道自检。

因此，采用本发明实施例提供的上述技术方案，提供了一种自动执行模拟参数实时校准的方法，大幅提升回读检测精度。

最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准系统，其特征在于，所述系统包括：

用于处理逻辑运算和/或主处理器的FPGA模块；

与所述FPGA模块连接的数模转换模块，所述数模转换模块用于将所述转换后的模拟信号输出至主处理器的外部；以及

位于所述数模转换模块和所述FPGA模块之间的回读通道；

位于所述回读通道和所述FPGA模块之间的模数转换模块；

其中，所述FPGA模块设置有根据所述反馈模块输入至所述FPGA模块的内部偏移算法校准子模块，并且所述回读通道、所述模数转换模块、所述FPGA模块和所述数模转换模块之间形成闭环控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数模转换模块从所述FPGA模块接收的信号X，输出至外部的信号Y，其中，y＝f(x)，并且f(x)为线性函数；从所述数模转换模块输出回读通道的信号，输出至所述FPGA模块的信号Z，其中，z＝g(x)，并且g(x)也为线性函数；所述FPGA模块的内部偏移算法校准子模块的校准模型为X＝αZ+β，并且α、β也为常数。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述FPGA模块的模拟量输出上限值为Xmax、下限值为Xmin；所述FPGA模块的的反馈信号的回读值分别对应为为Zmax，Zmin；其中：

$\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\frac{X\max -X\min }{Z\max -Z\min },\\ \mathrm{\β}=\frac{X\min Z\max -X\max Z\min }{Z\max -Z\min }.\end{array}$

4.根据权利要求2或者3所述的系统，其特征在于，所述FPGA模块在上电时，主动提供一个Xmax和Xmin，读取相应的Zmax和Zmin，可以计算所述α、β的值。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，FPGA模块可以对所述数模转换模块中的多通道同时进行闭环控制。

6.一种基于FPGA的模拟量输出信号回读通道实时校准方法，其特征在于，所述方法包括：

一、FPGA模块将运算后的数字信号输入数模转换模块；

二、所述数模转换模块将转换后的模拟参数输入至回读通道，并通过所述回读通道反馈至所述模数转换模块；

三、所述FPGA在上电时计算校准参数；

四、所述FPGA模块基于校准参数，将模数转换模块回读的信号进行校准；然后将校准后的数据做为回读所得真实输出端数据，并将所述校准后的数据用于通道回读自检。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述数模转换模块从所述FPGA模块接收的信号X，输出至外部的信号Y，其中，y＝f(x)，并且f(x)为线性函数；从所述数模转换模块输出回读通道的信号，输出至所述FPGA模块的信号Z，其中，z＝g(x)，并且g(x)也为线性函数；所述FPGA模块的校准模型为X＝αZ+β，并且修正因子α、β也为常数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述FPGA模块的模拟量输出上限值为Xmax、下限值为Xmin；所述FPGA模块的的反馈信号的回读值分别对应为为Zmax，Zmin；其中：