基于FPGA與AD5422的PLC模擬量擴展單元的設計　

　　表1列舉了模擬量輸出規格，包括量程、用戶分辨率、用戶編程的數據范圍等。

　　可見因為我們給PLC編程的數據和最終送給AD5422芯片的數據有一定的區別，則對于數據處理來說，我們需要完成以下幾個功能：

　　1)識別數據有效性：PLC給用戶1/12000的分辨率和控制字并不能占用0x0000-0xFFFF全部范圍內的數據，也就是說存在一部分的輸入數據是非法的無效的，需要在經過處理前識別出來，避免后續處理出錯，FPGA設計通過數據比較輸出數據有效或者無效判斷，當然設計可以選擇無效數據丟失或者輸出報警信號。

　　2)雙極性轉換：對應雙極性輸出數據中的-10~+10V的數據范圍是十六進制的0xE890到0x1770 對應十進制的-6000到+6000，而AD5422的-10V-+10V對應的數據范圍是十六進制的0x000-0xFFFF是單極性的，所以先要給雙極性的原始數據加上十進制的6000，統一輸入為十六進制的0x0000-0x2EE0，對應十進制的0-12000。

　　3)數據擴充：通過乘法器實現輸入數據的擴充，從給用戶的十六進制0x0000-0x2EE0需要對應轉換到十六進制0x0000-0xFFFF。特別地，對于1~5V量程來說因為輸出有個1V的基準量，在適用AD5422的0~5V量程時通過擴展到AD5422對應的0~4V量程，即十六進制的0x0000-0xCCCC，當然，這一步的處理需要在FPGA內部設計硬件乘法器，使得每個量程都能乘上響應的系數完成數據擴充工作。

　　4)添加偏移量：對于1~5V量程來說這個1V的基準量是始終存在的，這就需要在完成數據擴充后添加偏移量，其他量程則不需要這個偏移量的添加。

2.2 FPGA其余需要添加的功能塊還包括

　　1)控制字識別模塊：針對獲得的命令控制字，需要能甄別，并且分離出每個通道的量程和使能信息，在獲得合法的控制字后才能通知初始化模塊開始正常的數據運行。對于非法的控制字信息也能報錯并停機。

　　2)初始化模塊：在上電后初始化每一個DAC芯片，包括復位芯片，開啟菊花鏈使能，清空輸出數據寄存器等操作^[1]。

　　3)SPI接口模塊：該模塊能自動的將處理完成的數據添加字頭地址并發送，而且能夠配合初始化模塊完成DAC的初始化工作。在完成數據發送后最好還可以自動回讀DAC的狀態信息了解DAC是否過熱，電流環開路等信息。在處理完成所有工作后，自動的提供一個幀復位信號給狀態機完成一幀數據的處理工作。

　　4)時鐘控狀態機：該模塊能協調每個模塊的工作順序，使這個機制在數據幀能順利工作并且自動復位。

　　5)通道識別模塊：對于多通道數據使用同一個數據處理線來說，要有效的識別通道，通知各模塊裝載對應的量程控制字和控制SPI模塊的菊花鏈數據裝載順序。 圖4是FPGA內部整體處理機制的結構圖。

3 FPGA仿真測試

　　通過Verilog HDL語言編寫相關的硬件描述語言模塊，并綜合生成實例。圖5是FPGA內部實現DAC數據轉換處理的實例模塊，也是本設計的核心模塊，其相應的輸入端口包括：模塊復位rst_n;模塊主時鐘輸入mclki;通道1的總線送來的十六位數據BUSdata1[15:0];通道2的總線送來的十六位數據BUSdata2[15:0];2個DAC通道的配置數據(包括量程和使能信號)configdata[7:0] ;轉換使能信號start;相應的輸出信號包括送往SPI通信模塊發送給DAC1的數據Txdata1[15:0];發送給DAC2的數據Txdata2[15:0]，以及轉換完成的使能信號TXok。

　　使用ModelSim軟件對FPGA內部的處理機制進行仿真測試，圖6是SPI端口對DAC進行初始化的時序仿真結果。包括發送0x560001 進行復位功能，發送0x560000 取消復位功能，發送0x550008 開啟菊花鏈使能等操作。

　　圖7顯示了FPGA內部數據轉換的仿真測試結果，我們先預設了DAC工作在-10～10V量程下，并在該模式下給FPGA送入十進制的6000 對應0x1770 代表要求DAC輸出正10V滿量程，計算結果輸出是有符號數的0x7FFF，說明和預期結果一致，即這部分功能模塊可以正常工作。

　　樣機測試使用Microsemi的FPGA為處理核心，使用Libero SoC開發平臺下移植了以上設計進行實體電路的運行，圖8為樣機的實物照片，左邊為頂層FPGA板，右邊為底層模擬量輸出板。其中模擬部分的硬件設計可以參考EVAL-AD5422^[3]。另外，注意要做好輸出ESD保護對策。圖9顯示了該樣機輸出0~10V階躍信號的實測波形，驗證了設計的可行性，完成了相關產品的開發任務。

4 結論

　　本設計憑借FPGA強大的硬件可編程能力，在硬件設計方面直接省略了一顆MCU處理器及相關配套的硬件，既可以極度的精簡物料表。提升整體硬件可靠性，降低系統功耗，又不用擔心MCU會存在死機等實際運行的風險。

　　對于數據處理交由FPGA來實現，既可更嚴格的管理完善整體系統運行的時序。而且輸入輸出數據的關聯性更差，這樣整個設計具有更好的保密性。利用FPGA的靈活性，使電子設計能夠在很短的周期內完成^[4]，而且FPGA內部設計硬件乘法器，加法器等硬件模塊可以極大的提升數據處理速度，從而提升系統響應時間^[5]。

　　參考文獻：

　　[1]AD5422 Datasheet[Z] Analog Devices, Inc.

　　[2]于笑凡,費樹岷.基于FPGA 與AD5422 的多功能信號發生器的設計[J].信息技術與信息化,2013(6): 53-55.

　　[3]UG-422:Evaluating the AD5422 Single Channel,16Bit,Current Source and Voltage Output DAC,HART Connectivity.[Z] Analog Devices, Inc.

　　[4]王玨文,金偉信,蔡一兵,等.基于FPGA的SPI總線接口的實現[J].現代電子技術,2010(14):102-104.

　　[5]周維龍.基于FPGA 的智能變送器的設計與開發[D].長沙:湖南大學,2010:18-22.

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第9期第61頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。