基于FPGA的超高速工業(yè)控制器設(shè)計

崔 巍，吳愛國

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

0 引言

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，通用數(shù)字控制器作為工業(yè)自動化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并已達(dá)到一個令人矚目的市場規(guī)模。在航空航天、大型裝備制造、電子信息等高新領(lǐng)域中，對控制器的快速性、穩(wěn)定性、抗干擾性、精度、速度等指標(biāo)提出了更高的要求，對超高速工業(yè)控制器的需求越來越強(qiáng)烈[1]。國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)控制器近年來取得了一定進(jìn)展，但總體水平仍落后于國外技術(shù)先進(jìn)的國家，主要體現(xiàn)在：控制器難以運(yùn)用于超高速應(yīng)用場合，抗干擾性和穩(wěn)定性較差，由于控制器軟硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導(dǎo)致控制周期大于超高速應(yīng)用的要求，抗干擾性和穩(wěn)定性不好，最終的控制效果較差。因此，開發(fā)一款具備自主知識產(chǎn)權(quán)，能夠通用于各種控制系統(tǒng)的超高速、低成本、高可靠性的可與上位機(jī)共同組成控制系統(tǒng)及能夠直接與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號匹配的超高速工業(yè)控制器具有重要的意義。

FPGA作為主控芯片最突出的特點是超高速、并行性，同時具有速度快、成本低、通用性好、穩(wěn)定性高、可靠性好、現(xiàn)場可編程與擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點[2]。因此文中設(shè)計出一種基于FPGA的超高速工業(yè)控制器，用它完成工業(yè)控制系統(tǒng)的模擬量、開關(guān)量的高速采集與控制，并可在上位機(jī)通過RS-422(半/全雙工RS-485)和RS-232總線對該控制器實現(xiàn)高速監(jiān)控。同時，控制器可根據(jù)上位機(jī)的設(shè)定實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場8個雙閉環(huán)PID或單閉環(huán)PID自動控制方案，整個控制周期低于0.3 ms，同時又可實現(xiàn)模擬量的手動輸出或波形輸出控制。最后，通過實驗驗證，使用文中所設(shè)計的控制器并結(jié)合雙閉環(huán)/單閉環(huán)PID控制方案能夠保證工業(yè)控制系統(tǒng)的模擬量超高速采集與控制，實現(xiàn)高速、理想的控制效果。

1 工業(yè)控制系統(tǒng)需求

為了完成工業(yè)控制系統(tǒng)的模擬量、開關(guān)量的高速采集與控制，與工業(yè)現(xiàn)場包含的各類設(shè)備交互，所設(shè)計的基于FPGA的超高速工業(yè)控制器應(yīng)具有相應(yīng)接口：(1)為與上位計算機(jī)通信，控制器應(yīng)具有RS-422(半/全雙工RS-485)和RS-232總線接口；(2)為采集工業(yè)現(xiàn)場各種模擬式傳感器如位移傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等模擬量信號，控制器應(yīng)具有16路4～20 mA/0～10 V模擬量輸入AI的A/D轉(zhuǎn)換接口；(3)為控制工業(yè)現(xiàn)場的各種執(zhí)行器行程、調(diào)節(jié)閥開度而與常用設(shè)備的驅(qū)動模塊(交直流電機(jī)、伺服閥、溢流閥、換向閥的驅(qū)動器)連接，從而連續(xù)調(diào)節(jié)現(xiàn)場被控物理量，控制器應(yīng)具有8路-10～10 V模擬量輸出AO的D/A轉(zhuǎn)換接口；(4)為讀取工業(yè)現(xiàn)場的各種開關(guān)量輸入設(shè)備狀態(tài)和直接驅(qū)動生產(chǎn)中各種電磁閥的通斷，控制器應(yīng)具有16路開關(guān)量24 V輸入DI信號的接口和8路開關(guān)量觸點輸出信號DO的接口。

2 控制器硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該控制器僅使用FPGA作為主控核心，F(xiàn)PGA的并行性保證了處理的超高速性?？刂破魇褂盟膶覨PGA核心板+調(diào)理板的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA核心板和調(diào)理板由相互獨立的電源供電。該控制器的硬件功能單元主要包括16路模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換單元，8路模擬量輸出D/A轉(zhuǎn)換單元，16路開關(guān)量輸入信號隔離與調(diào)理單元，8路開關(guān)量輸出信號隔離與驅(qū)動單元和總線通信單元?？刂破魃洗篷詈凸怦畹母綦x設(shè)計，使得工業(yè)現(xiàn)場的所有信號與FPGA核心主板不存在所有電氣上的連接，僅保留邏輯聯(lián)系，極大地增強(qiáng)了FPGA超高速工業(yè)控制器的硬件抗干擾性能。該控制器是真正的工業(yè)級超高速控制器，在硬件上所有芯片的選型都保證是工業(yè)級芯片且力求集成度高、處理速度快。

圖1 基于FPGA的超高速工業(yè)控制器硬件框圖

2．1主控芯片F(xiàn)PGA

FPGA超高速工業(yè)控制器的FPGA核心主控制單元選用的是Cyclone Ⅲ系列FPGA[3]中的EP3C16E144I7，該型號的FPGA具有比較豐富的內(nèi)部資源：15 408個LE(邏輯單元)，85個用戶可使用I/O口，516 096位的內(nèi)部存儲器資源，112個內(nèi)嵌9位×9位乘法器，4個PLL(鎖相環(huán))，20個全局時鐘。同時該型號FPGA的速度等級是7，溫度等級是-20～85 ℃，相比于速度等級是8的一般型號的FPGA，主頻可以跑得更高，延遲更短，實時性和快速性更強(qiáng)。該型號FPGA為編寫狀態(tài)機(jī)等復(fù)雜的邏輯控制程序和復(fù)雜的控制算法程序奠定了硬件基礎(chǔ)，使超高速控制成為可能，同時利于今后控制器的功能升級。因此，EP3C16E144I7非常適合作為FPGA超高速工業(yè)控制器的核心主控芯片。

FPGA獨立供電模塊為FPGA提供3.3 V、2.5 V、1.2 V共3種電源電壓等級：3.3 V作為該型號FPGA的I/O口電源VCCIO，1.2 V作為FPGA的內(nèi)核電源VCCINT和PLL數(shù)字電源VCCD_PLL，2.5 V作為FPGA的PLL模擬電源VCCA和JTAG調(diào)試接口電路電源。

2．2 16路模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換單元

16路模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換單元包括I/V選擇與變換電路、2片12位8通道A/D轉(zhuǎn)換器電路、A/D接口數(shù)字隔離電路[4]。如圖2所示，I/V選擇與變換電路既可將工業(yè)現(xiàn)場輸入的4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換為1～5 V或0.5～2.5 V的電壓信號，又可將工業(yè)現(xiàn)場輸入的0～10 V信號轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號。如圖3所示，轉(zhuǎn)換后的AI0～AI15共16路電壓信號傳輸至2片12位8通道A/D轉(zhuǎn)換器AD7928，并由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為2組12位內(nèi)部數(shù)字信號DB[11：0]：經(jīng)軟件配置后，AI0～AI7(1～5 V/0～5 V)在第一片AD7928上的轉(zhuǎn)換關(guān)系是AI=5 V×DB[11：0]/4096；AI8～AI15(0.5～2.5 V)在第二片AD7928上的轉(zhuǎn)換關(guān)系是AI=2.5 V×DB[11：0]/4 096。上述2組12位數(shù)字信號以SPI協(xié)議16位串行格式都通過2片磁隔離芯片ADum1201CR和ADum1200CR連接至FPGA的用戶I/O口上。圖3中的AD780BR用于產(chǎn)生2.5 V±0.001 V電壓基準(zhǔn)REFin_2.5 V供A/D轉(zhuǎn)換使用，精準(zhǔn)的2．5 V電壓基準(zhǔn)保證了模擬量采集與控制的高精度和準(zhǔn)確性。

圖2 I/V選擇與變換電路原理圖

磁隔離芯片與FPGA連接側(cè)的供電回路應(yīng)與FPGA的I/O電壓一致，即應(yīng)接入FPGA獨立電源供電單元提供的VCC3.3到GND的3.3 V電壓；磁隔離芯片與外設(shè)芯片連接側(cè)的供電回路應(yīng)與該外設(shè)芯片數(shù)字接口的電源引腳(文中是AD7928的Vdrive引腳)電壓一致，即應(yīng)接入調(diào)理板電源供電單元提供的VCC5到SGND的5 V電壓。磁隔離芯片在這里除隔離作用外，還起到了5 V/3.3 V電平轉(zhuǎn)換作用。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換器電路原理圖

2．3 8路模擬量輸出D/A轉(zhuǎn)換單元

8路模擬量輸出D/A轉(zhuǎn)換單元包括D/A接口數(shù)字隔離電路、14位8通道D/A轉(zhuǎn)換器電路、模擬量輸出信號放大與驅(qū)動電路[5]。FPGA的類SPI協(xié)議32位串行格式的數(shù)字信號通過磁隔離芯片ADuM1400CRW連接至14位8通道D/A轉(zhuǎn)換器AD5648，磁隔離芯片的供電回路與2．2中所述一致。如圖4所示，AD5648有AO0～AO7共8路模擬量輸出引腳，在軟件中將AD5648配置成使用內(nèi)部電壓參考源，故每路電壓輸出值Vout=5 V×D[13：0]/16384，其中D[13：0]是與該路AO對應(yīng)的14位D/A數(shù)值。這8路0～5 V電壓再經(jīng)如圖5所示LM7332運(yùn)放電路的信號放大與驅(qū)動后，可線性放大為8路-10～+10 V的模擬量輸出電壓，所選LM7332可在輸出±10 V電壓時輸出±70 mA電流，可滿足工業(yè)現(xiàn)場絕大多數(shù)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動控制要求。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換器電路原理圖

圖5 模擬量輸出信號放大與驅(qū)動電路原理圖

2．4 16路開關(guān)量輸入信號隔離與調(diào)理單元

如圖6所示，工業(yè)現(xiàn)場的16路0 V或24 V電壓開關(guān)量輸入信號DI1～DI16經(jīng)光耦PC817進(jìn)行電壓變換隔離，將0 V或24 V電壓信號轉(zhuǎn)為0 V或3.3 V電壓信號輸出給FPGA的I/O口。其中3.3 V穩(wěn)壓管D2起到過壓和反接保護(hù)作用。

圖6 開關(guān)量輸入信號隔離與調(diào)理單元電路原理圖

2．5 8路開關(guān)量輸出信號隔離與驅(qū)動單元

如圖7所示，控制器外接的24 V電源通過DC/DC模塊提供專為繼電器驅(qū)動電路[6]提供的獨立電源，其地SGND_JiDianQi與控制器信號調(diào)理板的信號地SGND和控制器核心板的地GND完全相互獨立，避免繼電器輸入端大電流頻繁通斷對系統(tǒng)的干擾。其工作原理是：當(dāng)FPGA的相應(yīng)I/O口輸出高電平時，LED滅，光耦PC817不導(dǎo)通，PNP型三極管導(dǎo)通，額定電壓為12 V的繼電器輸入端流過接近37.5 mA的電流，繼電器輸出端兩個觸點吸合；當(dāng)FPGA的相應(yīng)I/O口輸出低電平時，LED亮，光耦PC817導(dǎo)通，PNP型三極管截止，繼電器輸入端無電流流過，繼電器輸出端兩個觸點斷開。將繼電器的輸出觸點串入工業(yè)現(xiàn)場的負(fù)載回路中即可完成8路對電磁閥等設(shè)備的開關(guān)量控制。

圖7 開關(guān)量輸出信號隔離與驅(qū)動單元電路原理圖

2．6總線通信單元

總線通信單元包括通信數(shù)字隔離電路、用于與上位機(jī)或接入工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的半/全雙工RS-485(RS-422)接口電路和RS-232接口電路。如圖8所示，F(xiàn)PGA的4個I/O口經(jīng)磁隔離芯片ADuM1401BRW連接至MAX491ESD，磁隔離芯片的供電回路與2．2中所述一致。FPGA通過MAX491ESD完成收發(fā)控制的方法如下：FPGA將發(fā)送使能控制線485_DE置高時，會使能MAX491ESD對異步串行通信接口發(fā)送信號485_DI的TTL電平到差分發(fā)送端RS-485(RS-422)電平標(biāo)準(zhǔn)的電平轉(zhuǎn)換，反之會禁止發(fā)送信號的RS-485(RS-422)電平轉(zhuǎn)換；FPGA將接收使能控制線485_RE置低時，會使能MAX491ESD對差分接收端RS-485(RS-422)電平標(biāo)準(zhǔn)到異步串行通信接口接收信號485_RO的TTL電平轉(zhuǎn)換，反之會禁止接收信號的TTL電平轉(zhuǎn)換。類似的，通過MAX3232ESE芯片構(gòu)成的RS-232接口電路和磁隔離芯片ADuM1402BRW，可完成TTL電平與RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換。

圖8 半/全雙工RS-485(RS-422)接口電路圖

3 FPGA內(nèi)部功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)

如圖9所示是FPGA內(nèi)部的頂層設(shè)計中各功能模塊的連接示意及對外引腳圖[7]，用Verilog HDL語言在FPGA上完成各功能模塊的設(shè)計，所有涉及時序的模塊均用Verilog代碼設(shè)計成有限狀態(tài)機(jī)，工作快速、穩(wěn)定。最后利用Quartus II集成開發(fā)環(huán)境對由各個Verilog模塊集成的頂層設(shè)計文件進(jìn)行綜合。

從圖9看出，F(xiàn)PGA內(nèi)部各功能模塊中的核心主控模塊是DA上層控制模塊，DA上層控制模塊的流程如圖10所示。由于FPGA的并行性特點，在DA上層控制模塊循環(huán)進(jìn)行8路模擬量輸出AO的計算與輸出的同時，圖9中還同時并行地進(jìn)行著如下主要工作：16路模擬量輸入AI信號的輪詢AD采樣轉(zhuǎn)換與濾波，異步串行通信數(shù)據(jù)接收及其命令解析和參數(shù)設(shè)置，16路DI狀態(tài)的讀取與8路DO輸出控制，向上位機(jī)通過異步串行通信接口循環(huán)發(fā)送所有的AI、AO、DI、DO數(shù)值信息。

圖9 FPGA內(nèi)部的頂層設(shè)計中各個功能模塊的連接示意及對外引腳圖

圖10 DA上層控制模塊的流程圖

由圖10及軟件功能分析可知，該控制器可根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的模擬量輸入AI設(shè)定值及相關(guān)Kp、Ki、Kd參數(shù)進(jìn)行雙閉環(huán)/單閉環(huán)的PID自動調(diào)節(jié)，也可根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的波形參數(shù)(周期、峰值、谷值)進(jìn)行波形自動輸出或手動值輸出?？刂破骺赏瓿勺疃?路模擬量AI的定值或隨動控制，因FPGA可并行完成各種控制、采集、通信功能，一個控制周期Ts中16路AI中的每路都采集7次的情況下，8個模擬量的PID閉環(huán)控制總周期Ts可以低至0.3 ms，如果在一個Ts中，減少AO輸出數(shù)目或使單路AI采集次數(shù)少于7次，控制周期Ts可以低至0.1 ms以下，完全可滿足超高速的控制要求。

4 實驗驗證

為了驗證該控制器對模擬量、開關(guān)量的高速采集與控制功能，使用LabVIEW編寫了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)共實現(xiàn)了6組功能：實時顯示、數(shù)字量顯示及輸出設(shè)置、模擬量輸出設(shè)置、控制參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、X-Y曲線。同時將該控制器用于對高階大滯后對象的雙閉環(huán)PID控制，高階對象的輸出與輸入分別作為控制器的AI4與AO4，高階對象的中間輸出作為控制器的AI5，如圖11所示，該高階對象的輸出可快速跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)對AI4設(shè)置的給定值。

圖11 控制器對高階對象的雙閉環(huán)PID控制曲線圖

5 結(jié)束語

文中根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)需求，設(shè)計出基于FPGA的超高速工業(yè)控制器，該控制器配備總線通信、模擬量輸入/輸出、開關(guān)量輸入/輸出等接口，能夠完成工業(yè)控制系統(tǒng)的模擬量、開關(guān)量的高速采集與控制，并可在上位機(jī)通過RS-422(半/全雙工RS-485)和RS-232總線對該控制器實現(xiàn)高速監(jiān)控。該控制器僅使用FPGA作為主控芯片，最突出的特點是超

高速、并行性，整個控制周期低于0.3 ms，控制器既可根據(jù)上位機(jī)的設(shè)定實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場8個雙閉環(huán)PID或單閉環(huán)PID自動控制方案，又可實現(xiàn)模擬量的手動輸出或波形輸出控制。最后，通過實際實驗，驗證使用文中所設(shè)計的控制器并結(jié)合雙閉環(huán)PID控制方案能夠保證工業(yè)控制系統(tǒng)的模擬量超高速采集與控制，實現(xiàn)高速的控制效果和理想的監(jiān)控功能。

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作者簡介：崔巍(1989—)，碩士研究生，主要從事工業(yè)控制系統(tǒng)及其控制器開發(fā)。E-mail：cuiwei007@tju．edu．cn

吳愛國(1954—)，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為以液壓系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、電機(jī)為對象的非線性系統(tǒng)控制方法研究。