CN201319135Y - 基于fpga的工业混合信号采集设备的系统架构 - Google Patents

基于fpga的工业混合信号采集设备的系统架构 Download PDF

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CN201319135Y CNU2008201935459U CN200820193545U CN201319135Y CN 201319135 Y CN201319135 Y CN 201319135Y CN U2008201935459 U CNU2008201935459 U CN U2008201935459U CN 200820193545 U CN200820193545 U CN 200820193545U CN 201319135 Y CN201319135 Y CN 201319135Y
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朱敦尧
谢斌
闵锐
吴杰
彭枫
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Abstract

本实用新型涉及基于FPGA的工业混合信号采集设备的系统架构，由外部模拟信号转换器件与现场可编程逻辑阵列FPGA组成，模拟信号转换器件通过SPI或者并行接口与FPGA中的处理器模块相连，FPGA然后通过RS485总线采用Modbus协议将数据传给上位设备，其中模拟信号转换器件用于采集外部模拟量电压与电流信号，FPGA中包含有软核处理器NiosII。本实用新型采用了灵活、高效的FPGA作为主控，不仅可以保证采集、通信及系统的整体运行效率，而且灵活度高，可针对不同的信号进行不同的配置，满足多种应用场合，配以不同的模拟量采集芯片和光耦即可进行不同的信号采集。

Description

基于FPGA的工业混合信号采集设备的系统架构
技术领域
本实用新型属于工业控制自动化领域，具体涉及一种基于FPGA的工业混合信号采集设备的系统架构。
背景技术
工业控制的自动化程度不断提高，带来了工业自动控制设备的高速发展。在整个工业过程化控制中，存在多种多样的信号需要进行采集、分析，如不同的传感器电流信号、电压信号、开关量信号、脉冲信号等。现有的方案中都是采用独立的信号采集模块来完成相关工作，系统组建复杂，而且多机网络效率低下，无法进行高速采集，PLC(Programmable LogicController可编程逻辑控制器)虽然也可通过组合以具备混合信号采集的功能，但是成本高昂，鲜少有人将控制器仅用于信号采集。
现有类似的方案：
1多采集模块混合使用。此方案将不同信号的独立采集模块通过RS485总线组网进行使用，虽然同样可以达到混合信号采集的目的，但是系统搭建复杂，通信效率低下，无法满足高速信号采集，如高速高精度模拟量信号采集，高速脉冲信号采集等。而且多模块混合使用成本也是居高不下。
2采用PLC组合使用。PLC的使用必须有CPU(Central ProcessingUnit)模块，配以相应的采集模块使用，将PLC仅用于信号采集带来了极大的无谓浪费，整体成本大幅上升，虽然方案理论上可行，但基本无人采用。
工业现场的自动化程度不断提高，也就意味着更多的信号传感器得到了应用，为了全面采集这些信号，需要一种高性能，低成本的混合信号采集设备来完成相应工作。本实用新型由于高集成度，对多种信号一体化进行采集，数据通过内部总线进行整合，因此性能远超多个单一的信号采集模块的组合，而且全部的采集，控制，通信使用一片FPGA来完成，成本上也大大优于多个模块的组合。
现有技术的缺点
1混合信号采集系统组建复杂，而越复杂的系统，存在问题的可能性越大，对系统的可靠性或多或少的带来了隐患。
2通信效率低下，多个采集模块通过RS485网络通信，通信速率低，采集不同的信号需要不同的模块回应数据，造成整体通信效率低下。无法应对高速信号采集应用。
3成本高昂，多个采集模块都需要单独的控制，通信芯片，整体成本过高。
发明内容
本实用新型的目的为了解决现阶段工业信号采集的性能与成本矛盾，而提供一种高性价比基于FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程逻辑阵列)的工业混合信号采集设备的系统架构，本实用新型采用了灵活、高效的FPGA作为主控，不仅可以保证采集、通信及系统的整体运行效率，而且灵活度高，可针对不同的信号进行不同的配置，满足多种应用场合，配以不同的模拟量采集芯片和光耦即可进行不同的信号采集。
本实用新型的技术方案为：
基于FPGA的工业混合信号采集设备的系统架构，由外部模拟信号转换器件与现场可编程逻辑阵列FPGA组成，其特征在于：模拟信号转换器件通过SPI或者并行接口与FPGA中的处理器模块相连，FPGA然后通过RS485总线采用Modbus协议将数据传给上位设备，其中模拟信号转换器件用于采集外部模拟量电压与电流信号，FPGA中包含有软核处理器NiosII。
FPGA内部包含有处理器模块、模数芯片通信模块、同步动态刷新存储器控制模块和高速计数器模块，各模块之间通过内部总线AVALON相连。
基于FPGA的工业混合信号采集设备很好的解决了目前存在的矛盾，充分发挥了FPGA的结构灵活性，对多种信号均可进行高速采集，为工业工程化控制提供了高集成度，高性能，低成本的解决方案。设备具备以下几个主要功能：
1、数字量开关信号采集。通过搭配不同的光耦，可对外部的不同电压的高，低电平进行采集，以确定外部电子开关的通断。
2、数字量计数。对外部的脉冲信号进行计数，可用于普通低速脉冲计数，如生产流水线上的产品通过数量，也可用于高速脉冲计数，如高精度旋转编码器，光栅尺等。
3、模拟电压采集。高精度采集外部-10V～10V的电压信号，0V～10V，0V～5V，-10V～10V，-5V～5V多量程可切换，采用高速高精度的模数转换芯片进行相关信号采集。
4、模拟电流采集。高精度采集外部0mA～20mA的电流信号，0mA～20mA，4mA～20mA多量程可切换，采用高速高精度的模数转换芯片进行相关信号采集。
5、上位机通信。通过RS485总线采用ModBus协议与上位机进行通信，可以与任何支持ModBus的设备联机使用。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图。
图2为本实用新型的FPGA结构框图。
图3为本实用新型的FPGA采集信号的框图。
具体实施方式
结合附图对本实用新型作进一步的描述。
如图1所示，本实用新型由外部模拟信号转换器件与现场可编程逻辑阵列FPGA组成，模拟信号转换器件通过SPI或者并行接口与FPGA中的处理器模块相连，FPGA然后通过RS485总线采用Modbus协议将数据传给上位设备，其中模拟信号转换器件用于采集外部模拟量电压与电流信号，FPGA中包含有软核处理器NiosII。FPGA内部包含有处理器模块、SPI通信模块、SDRAM存储器控制模块和高速计数器模块，各模块之间通过AVALON总线相连。本实用新型的核心为FPGA，配合模拟信号转换器件采集模拟信号。工业现场的开关量和脉冲信号因为可能存在电压过高，信号质量较差，其他电压窜入等因素，所以采用了光耦隔离，FPGA不仅承担了系统主控，通信的角色，同时部分资源将针对外部信号的不同进行相应的配置。下面对部分进行具体描述。
FPGA内部的资源自行搭建如图2所示。
外部模拟信号转换器件选用了美国模拟器件公司ADI工业专用的高速、高精度、多量程、高可靠性芯片AD7712，采样转换速率达到了100KBPS，即每秒可以进行10万次采样，这样就可以满足多路模拟量信号同时采集。采样精度为24位，可以满足工业现场的毫伏级小信号精确采集。
多路模拟信号通过模拟开关MPC508进行切换，每个MPC508可以控制8路单端模拟电压信号的切换，由FPGA选择不同的地址，MPC508将指定端口的电压信号送入模数转换芯片。采集模拟电流信号使用精密电阻将电流信号精确转换为电压信号进行测量，再依据欧姆定律进行计算，得到对应的电流值。
FPGA内部资源包含两部分，一部分用于搭建CPU(中央处理器)NIOSII，一部分用于搭建采集外部开关量和脉冲信号的单元。NIOSII的整体运行效率介于ARM7和ARM9(ARM是一种嵌入式处理器核心)之间，负责整个系统的数据采集、计算和通信。外部开关量信号通过FPGA搭建的NIOSIIGPIO(通用输入输出端口)来进行采集，脉冲信号通过FPGA内部用VerilogHDL(一种硬件描述语言，用于硬件编成)设计的高速计数器模块进行采集。
为了保证在工业现场可靠的工作，并准确采集开关量和脉冲信号，采用了光耦进行隔离，光耦选用了两类，一类是高速光耦，用于采集高速脉冲信号，外部信号接入时高电平为公共端。一类是用于采集开关信号的低速光耦，此类光耦输入端正反均有一只LED(发光二极管)，因此外部信号接入时，不论是高电平为公共端或者低电平为公共端，均可正常采集信号。
FPGA能够完成全部的模拟量、开关量、脉冲采集计算和数据通信，以实现ModBus协议，并把采集的数据对应到ModBus的寄存器地址中。信号采集部分流程如下图3所示。
FPGA中的处理器模块不断刷新各个信号采集部分得到的数据，先扫描端口对应的开关量，然后读取当前计数器的脉冲计数值，随即清零，再轮流读取各路的模拟电压信号，并把读取的值计算出电压或电流实际值，全部的数据送入协议缓存。与此同时，处理器不断扫描来自主设备的串行数据，一旦发现有读取命令，即从协议缓存中取得最新的数据，按照协议反馈给主设备，在无读取命令下发时，处理器循环执行数据扫描动作。
ModBus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，它已经成为一个通用工业标准。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
本实用新型中的FPGA(现场编程逻辑阵列)通信协议采用ModBus的RTU(ModBus协议的一种格式)方式，选取了几个需要用到的功能号进行实现，并针对各个信号定义了相应的寄存器。
RTU模式在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。

Claims (2)

1、基于FPGA的工业混合信号采集设备的系统架构，由外部模拟信号转换器件与现场可编程逻辑阵列FPGA组成，其特征在于：模拟信号转换器件通过SPI或者并行接口与FPGA中的处理器模块相连，FPGA然后通过RS485总线采用Modbus协议将数据传给上位设备，其中模拟信号转换器件用于采集外部模拟量电压与电流信号，FPGA中包含有软核处理器NiosII。
2、根据权利要求1所述的工业混合信号采集设备的系统架构，其特征在于：FPGA内部包含有处理器模块、模数芯片通信模块、同步动态刷新存储器控制模块和高速计数器模块，各模块之间通过内部总线AVALON相连。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101771700B (zh) * 2010-01-06 2012-07-25 哈尔滨工业大学 基于FPGA的Modbus协议通信节点
CN102854375A (zh) * 2012-09-07 2013-01-02 哈尔滨工业大学 基于fpga的高速电压电流模拟量采集系统
CN107168181A (zh) * 2017-06-26 2017-09-15 南方电网科学研究院有限责任公司 一种基于fpga的数据采集系统

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