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FPGA在智能仪表中的应用

2015/3/4    来源:智能化网        
关键字:FPGA  智能仪表  控制仪器  
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。

    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,如图1所示。

 低阻值、高精度测试仪系统结构

  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。

责任编辑:陈浩
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