CN201340541Y - 基于fpga的工业混合信号输出控制设备 - Google Patents

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CN201340541Y CNU2009200835157U CN200920083515U CN201340541Y CN 201340541 Y CN201340541 Y CN 201340541Y CN U2009200835157 U CNU2009200835157 U CN U2009200835157U CN 200920083515 U CN200920083515 U CN 200920083515U CN 201340541 Y CN201340541 Y CN 201340541Y
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朱敦尧
吴杰
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Abstract

本实用新型提供了一种基于FPGA的工业信号逻辑控制设备：FPGA外接上位信号接收端口、数字脉冲信号输出端口、模拟信号输出端口和模拟信号接收端口，外部数模信号转换器件通过模拟信号输出端口与FPGA相连，外部模数信号转换器件通过模拟信号接收端口与FPGA相连。FPGA内包含处理器模块、通用串行通信模块、端口状态设定模块和数模芯片通信模块，这些FPGA内的模块均接至高速总线；上位信号接收端口接至通用串行通信模块，数字脉冲信号输出端口接至端口状态设定模块，数模芯片通信模块接至模拟信号输出端口、模拟信号接收端口。本实用新型采集、通信及系统的整体运行效率和灵活度高，可满足多种应用场合。

Description

基于FPGA的工业混合信号输出控制设备
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的输出控制设备。
背景技术
工业控制的自动化程度不断提高，带来了自动控制设备的高速发展。而在整个工业自动化控制系统中，存在多种多样的外围执行设备，各执行设备的工业控制信号可能都不相同。一旦出现多外设混用，带来的多种信号混合处理的问题，可能会对系统的组建造成很大的压力和成本浪费。为了合理的实时控制这些执行设备，就需要一种高性能，低成本的工业混合信号输出控制设备来完成相应工作。
现有的方案有两种：
1.多采集模块混合使用，即将多种不同的信号输出模块通过RS485总线组网进行使用。本方案虽然可以达到混合信号输出控制的目的，但是系统搭建复杂，如有的可能需要高速高精度模拟量信号输出控制模块和高速脉宽调制(PWM)输出模块等。系统越复杂存在问题的可能性越大，对系统的可靠性带来了隐患。而且全部命令通过一条RS485低速总线发送，将造成多模块网络的整体通信效率低下，无法满足控制的实时性要求。由于每个采集模块都需要单独的控制芯片和通信芯片，成本也居高不下。
2.采用可编程逻辑控制器(PLC，Programmable Logic Controller)组合使用。PLC必须包含中央处理器(CPU，Central Processing Unit)模块，再配以相应的采集模块使用。将PLC仅用于工业混合信号输出控制，无法体现其本身的自动控制的优势，带来了极大的浪费，使得整体控制系统的成本大幅上升。虽然此方案理论上可行，但十分不合理。
发明内容
本实用新型的所要解决的技术问题是：提供一种基于FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑阵列)的工业混合信号输出控制设备。该设备可解决现阶段工业现场多信号输出控制系统的性能与成本矛盾，性价比高。
本实用新型的技术方案为：其包括现场可编程逻辑阵列、外部数模信号转换器件和外部模数信号转换器件。所述现场可编程逻辑阵列外接上位信号接收端口、数字脉冲信号输出端口、模拟信号输出端口和模拟信号接收端口，所述外部数模信号转换器件通过所述模拟信号输出端口与现场可编程逻辑阵列相连，所述外部模数信号转换器件通过所述模拟信号接收端口与现场可编程逻辑阵列相连。现场可编程逻辑阵列内包含处理器模块、通用串行通信模块、端口状态设定模块和数模芯片通信模块，这些FPGA内的模块均接至高速总线；所述上位信号接收端口接至通用串行通信模块，所述数字脉冲信号输出端口接至端口状态设定模块，所述数模芯片通信模块接至所述模拟信号输出端口、所述模拟信号接收端口。
本实用新型的有益效果：本实用新型很好的解决了现有设备存在的矛盾，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，为工业自动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、数字量开关信号控制。通过集电极开路的设计以驱动外部的一级继电器，驱动电压随外部接入电压变化，因此可以连接不同电压的继电器，满足不同的设备要求。
2、高速PWM输出。对外输出PWM，不同于市面上常见的100KHz上下的频率输出，本设备可输出最大4MHz的PWM信号，以满足某些特殊设备的控制需求。
3、模拟电压输出。高精度输出0V～10V的电压信号，采用高速高精度的数模转换芯片进行电压信号输出。
4、模拟电流输出。高精度输出0mA～20mA的电流信号，0mA～20mA，4mA～20mA多量程可切换，采用高速高精度的数模转换芯片进行信号输出。
5、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。
6、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。
7、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。
本实用新型由于高集成度，对多种信号一体化进行处理输出，数据通过内部总线进行整合，因此性能远超多个单一采集模块的混合使用，而且全部的输出，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。
本实用新型由于采用了灵活、高效的FPGA作为主控，不仅可以保证信号输出、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，配以不同的模拟量输出转换芯片和光耦即可进行不同的信号采集。
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内部结构框图。
图3为本实用新型的工作流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。
如图1和图2所示，本实用新型包括现场可编程逻辑阵列、外部数模信号转换器件和外部模数信号转换器件。其中外部数模信号转换器件用于输出模拟量电压与电流信号。外部模数信号转换器件用于采集接收模拟设备所返回的模拟电压、电流信号。所述现场可编程逻辑阵列外接上位信号接收端口、数字脉冲信号输出端口、模拟信号输出端口和模拟信号接收端口。所述外部数模信号转换器件通过所述模拟信号输出端口与现场可编程逻辑阵列相连。所述外部模数信号转换器件通过所述模拟信号接收端口与现场可编程逻辑阵列相连。所述现场可编程逻辑阵列内包含处理器模块、通用串行通信模块、端口状态设定模块和数模芯片通信模块，这些FPGA内的模块均接至高速总线。所述上位信号接收端口接至通用串行通信模块，所述数字脉冲信号输出端口接至端口状态设定模块，所述数模芯片通信模块接至所述模拟信号输出端口、模拟信号接收端口。
所述处理器模块可采用软核处理器NIOS II(Altera生产的FPGA所配套的软核)，所述数模芯片通信模块采用SPI或并行接口，所述高速总线可采用AVALON总线(Altera的总线标准)。所述上位信号接收端口可采用RS485接口，使用Modbus协议接收上位设备命令。
所述现场可编程逻辑阵列内还包括SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器)控制模块和高速计数器模块，这些模块均接至所述高速总线。
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。
本设备每路模拟量输出都采用了独立的数模芯片，通过FPGA的端口来控制进行芯片选择，确保各路模拟信号能够正确输出至模拟设备。所述外部数模信号转换器件可采用美国德州仪器公司TI的工业专用的高速、高精度、高可靠性芯片DAC7512，其转换精度为12位，完全可以满足工业现场的小信号精确控制。DAC7512还接有电压电流转换芯片用于电流输出，可采用Xicor公司的专用电压电流转换芯片XTR115，该芯片可以精确的将输入的电压线性变换为0～20mA。
为满足某些特殊开关设备、数字设备的控制需求，所述现场可编程逻辑阵列内还可以安装PWM模块，该模块接至所述高速总线。工业现场的开关量和脉冲信号可能存在电压过高，信号质量较差，其他电压窜入等因素；为了配合高速PWM信号输出，所以所述数字脉冲信号输出端口可采用光耦隔离，用于通过高速脉冲信号。该输出端口经光耦隔离后，还可以接有达林顿管。这样开关量可以驱动不同的继电器，作为一级继电控制，其前级同样采用了光耦隔离，确保工作可靠性。
根据上述结构，FPGA内部资源包含两部分，一部分用于搭建CPU(中央处理器)NIOS II，一部分用于搭建输出、采集外部开关量、脉冲信号、模拟量的单元。NIOS II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输出控制、运算和通信。数字脉冲信号输出端口、模拟信号接收端口和模拟信号输出端口，采用FPGA搭建的NIOS II GPIO(通用输入输出端口)实现。PWM信号通过FPGA内部用Verilog HDL(一种硬件描述语言，用于硬件编成)设计的高速PWM模块来产生。
FPGA能够完成全部的模拟量、开关量的输出控制和数据通信，以实现ModBus协议，并把解析的数据数据对应到各个数据通道中。
本实用新型的工作流程如图3所示。在上位设备没有消息发出的时候，FPGA中的处理器处于循环等待状态；一旦收到消息，即进入消息处理流程。消息分两类，一类是读取当前实时状态的命令消息，即之前设置的状态值，以便在上位设备开机时可以获取当前的工作状态。另一类是设置命令消息，用于控制各开关信号，模拟信号和PWM输出。消息收到后，如果是读取命令，则读取各模块的设置寄存器数值，即读取端口状态设定模块的设置寄存器数值，并通过外部模数信号转换器件扫描、采集模拟设备的电压、电流信号，然后返回给上位设备。如果是控制命令，则进入协议解析，将上位设备命令中的操作数分离出来；然后根据命令，依次调整各端口状态，设置PWM输出参数，由多个数模转换芯片控制各路电压输出状态，通过电压电流转换芯片控制各路电流输出状态。
ModBus协议是应用于电子控制器上的一种通用数据协议，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与上位设备之间的通信协议采用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 (6)

1.基于FPGA的工业混合信号输出控制设备，包括现场可编程逻辑阵列、外部数模信号转换器件和外部模数信号转换器件，所述现场可编程逻辑阵列外接上位信号接收端口、数字脉冲信号输出端口、模拟信号输出端口和模拟信号接收端口，所述外部数模信号转换器件通过所述模拟信号输出端口与现场可编程逻辑阵列相连，所述外部模数信号转换器件通过所述模拟信号接收端口与现场可编程逻辑阵列相连，其特征在于：现场可编程逻辑阵列内包含处理器模块、通用串行通信模块、端口状态设定模块和数模芯片通信模块，这些FPGA内的模块均接至高速总线；所述上位信号接收端口接至通用串行通信模块，所述数字脉冲信号输出端口接至端口状态设定模块，所述数模芯片通信模块接至所述模拟信号输出端口、所述模拟信号接收端口。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其特征在于：所述处理器模块采用软核处理器NIOSII，所述数模芯片通信模块采用SPI或并行接口，所述高速总线采用AVALON总线，所述上位信号接收端口采用RS485接口。
3.根据权利要求1所述的控制设备，其特征在于：所述现场可编程逻辑阵列内还包括PWM模块，该模块接至所述高速总线。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的控制设备，其特征在于：所述现场可编程逻辑阵列内还包括SDRAM控制模块和高速计数器模块，这些模块均接至所述高速总线。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的控制设备，其特征在于：所述外部数模信号转换器件采用DAC7512，DAC7512还接有电压电流转换芯片XTR115。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的控制设备，其特征在于：所述数字脉冲信号输出端口采用光耦隔离，并接有达林顿管。
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