基于FPGA與AD5422的PLC模擬量擴展單元的設計
作者/ 鮑長君 上海龍誠自動化系統(tǒng)有限公司(上海 200086)
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201708/363624.htm鮑長君(1985-),男,碩士,中級工程師,研究方向:嵌入式系統(tǒng)。
摘要:本文設計了一種以FPGA為核心,基于AD5422實現(xiàn)多路高精度輸出的PLC模擬量擴展單元模塊。設計先對現(xiàn)有的方案進行了分析和討論,之后對FPGA內部相關處理機制和實現(xiàn)方案做了詳盡的論述,經過仿真和測試驗證了設計的可行性。相比于傳統(tǒng)的模擬量擴展單元模塊,本系統(tǒng)具有處理速度快、方便、靈活,電路精簡,抗干擾能力強等優(yōu)點。
1 系統(tǒng)總體設計
1.1 方案論述
工業(yè)自動化控制系統(tǒng)經常需要用到4~20mA 或者±5V等模擬量信號,用以控制變頻器等需要模擬信號輸入控制的設備,而模擬量擴展單元也是PLC產品重要的擴展單元之一。一個良好的模擬量擴展單元產品的設計希望不僅能夠保證系統(tǒng)運行的可靠性,還希望系統(tǒng)設計能夠非常精簡,有足夠的魯棒和可擴展性,在成本性、能等各方面組合成一個最優(yōu)的結果。是PLC模擬量擴展單元產品設計一直追求和努力的方向。
傳統(tǒng)的模擬量輸出擴展單元結構如圖1,其工作原理是:1、FPGA將擴展通信總線上的數(shù)據(jù)通過SPI通信隔離器進行電器隔離,然后將數(shù)據(jù)交互給MCU;2、由MCU負責數(shù)據(jù)的轉換和進行相關的配置工作,并通過MCU的SPI接口控制輸出的DAC獲得相應的模擬電壓或者電流輸出值。
不難看出,F(xiàn)PGA和MCU之間通過SPI通信,MCU和DAC之間也通過SPI通信,如果我們能把MCU的工作都集成到FPGA內完成,那方案就可以省略MCU,由FPGA直接控制DAC實現(xiàn)功能。但是在省略MCU前要對現(xiàn)有方案做以下進一步的分析。
1.2 實現(xiàn)多DAC的SPI接口級聯(lián)方式
在使用傳統(tǒng)MCU控制DAC的回路設計時,MCU有足夠的IO口可以單獨或者級聯(lián)控制DAC芯片,但是如果換用FPGA來直接替換MCU控制,則會因為需要更多的數(shù)據(jù)隔離通道使得物料成本上升,因此,若想FPGA直接控制DAC,則最好所有的DAC能進行級聯(lián)設計,即通過一個SPI隔離器和少數(shù)光耦實現(xiàn)全部的通信和控制功能。
參考AD5422 芯片數(shù)據(jù)手冊,實際上該芯片具有多片菊花鏈連接方式,只要設計得當,多個DAC就可以在同一個SPI接口上級聯(lián)工作,圖2是AD5422的原廠數(shù)據(jù)表關于菊花鏈連接的結構圖[1]。
1.3 每個DAC的硬件清零信號處理方法
應對開機復位或者某些緊急情況,DAC需要實現(xiàn)硬件清零工作。關于DAC硬件清零腳的設計,我們可以用FPGA閑置的IO腳通過光耦隔離后來控制它。當然若想每個DAC都可以獨立完成清零的工作,則需要由軟件通信的方法控制相應的寄存器來實現(xiàn)軟件清零。
1.4 MCU需要完成的任務內容
從PLC編程給模擬量輸出擴展的數(shù)據(jù)以及相應的AD5422原廠數(shù)據(jù)表看, MCU需要在這個中間環(huán)節(jié)完成以下幾個任務:
1)復位,取消復位,清零,初始化DAC芯片;
2)拆分SPI數(shù)據(jù),完成各DAC量程,輸出使能等相關的配置工作;
3)完成數(shù)據(jù)轉換:包括單極性和雙極性數(shù)據(jù)轉換,數(shù)據(jù)位數(shù)擴充,數(shù)據(jù)加偏移量等工作;
4)完成DAC狀態(tài)相關回讀工作,包括DAC電流輸出斷線報警,芯片過熱等異常情況。
1.5 FPGA直接控制DAC的設計方案
綜合以上的設計分析,我們修改了整體硬件設計方案,由FPGA直接控制DAC的設計方案如圖3所示。這樣MCU要完成的工作就必須在FPGA內處理完成[2]。
2 FPGA內部具體設計實現(xiàn)的方案
2.1 FPGA的數(shù)據(jù)處理流程
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