FPGA在智能仪表中的应用

FPGA在智能仪表中的应用2007年12月28日16:18王天雄严利民高辉随着微电子技术的发展，采用现场可编程门阵列(FPGA)进行数字信号处理得到了飞速发展。由于FPGA具有现场可编程的特点，可以实现专用集成电路，因此越来越受到硬件电路设计工程师们的青睐。目前，在自动化监测与控制仪器和装置中，大多以8位或16位MCU为核心部件。然而伴随着生产技术的进步和发展，对监测与控制的要求也在不断提高，面对日益复杂的监测对象和控制算法，传统的MCU往往不堪重负。把FPGA运用到这些仪表和设备中，可以减少这些仪器、设备的开发周期，大幅度提升这些仪器的性能，减少总成本和体积。在低阻值、高精度线圈电阻测试仪中关键部分用FPGA硬件电路来实现，可以节省系统的面积开销、减少所用的芯片数和PCB板块数，提升系统性能，并降低成本。低阻值、高精度测试仪系统结构介绍系统的待测体是一个绕有三组铜线圈的机构，外形尺寸大约是7×7×6(mm)，外形结构较复杂。由于系统要通过测量待测线圈的阻值，来确定线圈的圈数，因此，要求有比较高的测量精度。按照工厂流水线作业的要求，待测体电阻值均在5Q以下，测量精度在±0.01Ω以内，反应速度在0.8s以内。整个测试系统由数据采样模块、数据处理模块和显示输出模块组成，系统的原理框图如图1所示。数据采样部分由于本系统要对微小电阻进行精确测量，因此采用四引线制测量法，配以高精度、低温漂的恒流源。本系统的A／D转换芯片采用Intersil公司的三位半A／I)转换器ICL7107，恒流源产生的10mA电流流经待测线圈，产生一个与线圈阻值成正比的压降。此压降通过三位半A／D转换器直接转换为七段码形式的十进制数据流，直接送至显示输出部分，由LED数码管显示输出。数据处理部分这部分有三个功能：(1)将A／D转换器输出的七段码形式的数据转换为BCD码；(2)将转换好的的BCD码数据进行相减，实现电阻值求差功能；(3)将转换好的BCD码数据与设定的上下限进行比较，第2步得到的电阻差值与基准比较值进行比较，实现比较功能。本文着重介绍这一部分的原理以及实现。针对数据处理部分，这一部分功能可以采用三种方案来实现：(1)采用ALU和7485系列芯片来实现，这种方案需要6个ALU单元(3片处理4位BCD减法的单元和3片处理借位的单元)和18片74LS85芯片(作为数字比较器)，占用相当大的系统面积，并且看起来非常繁琐功能复杂，不直观。时间延迟大，测量误差也比较大。(2)完全采用数字组合逻辑电路来实现，这一方案设计门槛比较低，但是占用的系统面积、功耗和测量误差比第一种方案大的多，达到较难以实现的地步。(3)采用FPGA来实现，把本部分要实现的功能完全集成在一块FPGA上，与上述两个方案比较，大大节省面积，系统功能让人一目了然，而且仪器稳准度更高，反应速度更快显示输出部分该部分有LED显示灯(红、绿)和LED数码管组成，根据输入显示相应结果。FPGA实现的数据处理功能测试仪中通过待测线圈的压降通过三位半A／I)转换器ICL7107后，一输出的数据(samplel、sample2)均为七段码形式的十进制三位数(个、十、百位)，要求与两个可调的上下限(BCD码拨码输入)进行比较，若在比较限度内则亮绿灯(greenl、green2)，否则亮红灯(rerll、red2)。另外，两个采样值相减，若其差值(sub)在固定范围以内则亮绿灯(green3)，否则亮红灯(red3)。所有的绿灯亮，总控的绿灯(greerl)才亮，否则，总控红灯(red)亮。设计方案按照TOP—DOwN的思想对系统进行整体功能划分，再以BOTTOM—uP方式进行设计输入，使系统具有层次感(hierarchy)，各个功能模块内包含小的模块，也便于模块的重复调用，最后进行芯片的功能、性能等各项模拟。各模块功能及结构图介绍如下：datachange(数据转换)模块将输人为七段码的数据转换为BcD码，输出转换后的数据，直接送到显示输出部分，在LED数码管上显示出来，如图2所示。suball(减法)模块系统数据处理的核心部分，包括3个子模块，来实现采样的两个12位BCD码数之间的相减。其中的核心子模块为4位BcD减法模块，通过借位，将此模块串接，实现模块复用。将差值送到显示输出部分，在LED数码管上显示出来，如图3所示。compareall(比较)模块实现转换后数据(A、B)同设定的上下限(图中为upperl、lower。1和upper2、lower2)进行比较；减法模块得出的差值(sub)，与设定的基准值c进行比较。最后输出比较结果，将结果送到显示输出部分，以LED显示灯形式来显示结果，如图4所示。lamp模块总控显示灯选择模块，根据输入的结果来决定输出灯的颜色，如图5所示。具体算法流程如图6所示。仿真验证数据处理模块采用verilog语言编写，用MaxplusII进行功能仿真，设定upperl与upperl2值均为400(即上限4.0Ω)，lowerl与lower2值均为300(即下限3.0Ω)，基准比较值C为025(即电阻差值最大限度为0.25)，采用六组不同区间数据作为采样输入，仿真结果如图7所示。波形显示该算法完全正确，功能达到设计要求。我们采用Altera公司Cyclone系列的EPlC3芯片，进行FPGA仿真，并将其应用于实际系统中，完全达到预期效果。为了检验系统的精确度，采用精密数字微欧计进行校验，该仪表测量准确度达0.1％，分辨率最高可达1mΩ。本文提出的设计方法，从实际应用来看，节省了面积开销，仪器稳准度更高，反应速度更快，并且降低了系统整体电路的复杂度，提高了系统集成度。经软件仿真和实际功能验证．证明设计可靠、设计方案可行，在实际应用中有较大的实用价值。