在工业自动化控制系统中，过程参数压力、差压、绝对压力、流量等工艺参数均要严格控制，而这类参数的     测量   与     监控   大多使用     变送器   。变送器是玉业过程重要的基础自动化设备之一，是工业过程自动控制中应用最广、使用最多的一种现场仪表。随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂化，变送器用量不断增多。

随着工业自动化控制技术的发展，自控水平越来越高，对过程参数控制精度要求越来越严，要求变送器表不仅精度高，而且要功能多、稳定可靠、能准确传送过程参数（压力、差压、绝压、流量）、抗干扰能力强、使用维护简单，并能与控制器、执行器等设备组成功能强大的控制系统，实现通讯和过程的自动控制。所以，过去的变送器由于受测量原理和通讯所限，很难实现这种高精度控制要求，因此，自然而然地产生了原理先进具有通讯功能的智能变送器。这类先进的智能变送器集现代科技与一身，是微电子技术、精密     机械   加工技术、     计算机   技术和现代通讯技术完美结合的产物，能实现过程控制的多种要求，推动了整个自控技术的向前发展。先进的智能变送器是工业过程控制技术发展的需要，也是工艺过程实现高精度控制的必须，具有很好的市场前景。

本文根据工业应用的实际需要以及网络通信发展的功能要求，提出了基于     FPGA   智能变送器控制系统的总体方案，硬件系统设计、软件设计。该设计实现了系统     MCU   主控模块、     数据采集   模块、电源控制模块、数据处理模块、     数据通信   模块等硬件     电路   ，并给出了系统软件流程图，重点论述了数据采集和数据模拟输出控制电路的FPGA实现，详细阐述了系统各模块电路的组成原理和实现方法，给出了整个电路系统的原理图，并制作了     印刷电路板   。结合XILINX公司的ISE10．1设计软件给出了模／数转换、数／模转换的仿真结果，验证了系统功能。

1 智能变送器的总体设计

本智能变送器由前端信号调理电路、高速A／D采样电路、数字信号处理电路、模拟输出电路和数字输出电路组成。如图1所示。

分析不同类型的     传感器   ，其输出信号可分为     电流   信号、电压信号和电荷信号3大类，相应地设计了3种信号调理电路。以大型设备     振动   监测项目为例，县体的传感器有加速度、速度和位移传感器。选择不同的前端信号调理电路，变成统一规格的电压信号供后面的A／D采样。

A／D采样部分对前端电路的输出电压信号进行采样。A／D采样芯片采用     ADI   公司的AD7264，AD7264是双通道同步采样、14-bit、高速、低功耗、逐次逼近型     模数转换器   ，采用5V单电源供电，采样速率高达1 MSPS。A／D采样电路与前端信号调理电路用同一隔离电源供电，与后级数字信号处理电路隔离。AD7264的数据     接口   为串行接口，便于隔离处理。

数字信号处理电路选择带有     CPU   软核的FPGA。FPGA是智能式变送器的核心，它不但能对采样数据进行计算、存储和数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。在整个系统中，FPGA主要实现对系统的控制和数据的预处理。

智能式变送器有两种输出方式：模拟输出和数字输出。数字输出将处理后的信号直接输出，通过     CAN   接口、TCP／IP接口传给上位机。模拟输出通过     DAC   芯片将信号转换成标准电压电流信号输出。

2 系统硬件设计与实现

智能变送器具有采集、处理、指示、通讯等功能，其硬件设计围绕功能进行。整个智能变送器单元根据所完成的功能分为以下几个主要功能模块：信号采集模块（传感器放大电路）、信号转换模块（模／数转换和数／模转换电路）、FPGA控制模块、通信模块（     以太网   和CAN总线通信）以及为整个系统提供电源的电路部分等。其中FPGA系统为整个控制器单元的核心，是变送器实现数字智能化的标志。

智能变送器的硬件总体结构框图如图2所示。变送器工作时，由传感器把被测量转变为电信号，然后将信号作A／D转换，把模拟信号变换成数字信号，送入到FPGA（XC3S4005PQ205）控制模块，FIGA通过FIR     滤波器   核对信号进行滤波，并通过查表法对信号进行自动补偿，然后根据实际需要。经数／模转换后将数据传给下级电路，同时也可能通过以太网或CAN总线传给局域网，实现智能变送功能。系统     PCB板   实物图如图3所示。

3 系统软件设计与仿真

该系统以XILINX公司的XC3S4005PQ208C作为中央处理器，整个系统主要包括初始状态（Ini     ti   aliza  TI on）、数据采集状态（Data_Sample）、数据处理状态（Data_Processing）、以太网传输状态（Enet_Transfe     rs   ）、CAN总线传输状态（CAN_Transfers）、和模拟输出状态（Analog_ Transfers）等6种状态，因此，可以利用有限状态机的设计方案来实现。其状态转换图如图4所示，通过开发工具ISE10．1对各个模块的VHDL源程序及顶层电路进行编译、逻辑综合，电路的纠错、验证、自动布局     布线   及仿真等各种     测试   ，最终将设计编译的数据下载到芯片中即可。

初始状态：实现系统初始化；数据采集状态：完成数据采集过程；数据处理状态：对采集的信号进行一系列的滤波处理，非线性校正等；以太网传输状态，CAN总线传输状态：根据实际需要将信号数字输出；模拟输出状态：进行数模转换，输出标准的电压电流信号。

3．1 数据采集的FPGA设计

数据采集是工业测量和控制系统中的重要部分，它是测控现场的模拟信号源与上位机之间的接口，其任务是采集现场连续变化的被测信号。对数字系统来说，数据采集主要由传感器放大电路和A／D转换电路构成，由硬件电路可见，系统通过AD7264模／数转换器来实现模／数转换。AD7264内含6个     寄存器   ，分别是A／D转换器的结果寄存器、控制寄存器、A／D转换器A和B的内部失调寄存器、A／D转换器A和B通道的外部增益寄存器。由于XC3S4005PQ208C和AD7264都兼容S     PI   接口，两者的编程只需按照时序图进行即可。AD7264与FPGA的接口主要包括PD0数据输入选择端：DoutA（DoutB）两路数据输出端；OUTa（OUTb）两路数据输入端；CoutA（CoutB、CoutC、CoutD）     比较器   输出；G3（G2、G1、G0）四路增益控制输入信号。增益由控制寄存器的低四位控制；ADSCLK     时钟   信号；     ADC   S片选信号，低电平有效。AD7264工作频率为20 MHz，在CS下降沿，跟踪保持器处于保持模式。此时，采样、转换同时被初始化模拟输入。这需要至少19个SCLK周期。第19个SCLK的下降沿到来时。AD7262恢复至跟踪模式，并设置DOUTA、DOUTB为使能。数据流由14位组成，MSB在前。图5为AD7264读寄存器时序仿真图。

3．2 数据输出的FPGA实现

智能化信号调理器的输出分为数字输出和模拟输出，数字输出通过CAN接口和TCP／IP输出到上位机，或者通过总线方式输出；模拟输出通过DA转换成标准的电压电流信号输出。系统选用ADI公司AD5422数／模转换器来实现数／模转换。AD5422通过数据移位寄存器输入数据，数据在串行时钟输入SCLK的控制下首先作为24位字载入器件MSB中。数据在SCLK的上升沿逐个输入。该24位字在LATCH引脚的上升沿无条件锁存，然后数据继续逐个输入，此时与LATCH的状态无关。图6为AD5422写操作时序仿真图。

4 结束语

采用XILINX公司的ISE10．1设计软件及MODELSIM软件对系统进行反复调试仿真，给出了试验结果，验证了系统功能。并运用美国     PCB公司   的608A11作为加速度传感器。对设备的振动进行监测，其模拟输出的测试结果如表1所示。

最终的调试结果表明，本文所设计的智能变送器器能够稳定的实现温度、压力等变量的变送，并且频率、幅值的调节精度等技术指标均达到了预期的设计要求。

责任编辑：gt