电竞作品基于SOPC的高精度多路数据采集系统(3)

基于SOPC的工业现场高精度多路数据采集系统

为了使电阻网被选通时，能可靠的导通，不选通时输出电阻无穷大，制定了第二套方案，采用干簧管继电器 EDR202A0500，该器件采用DIP14封装，如图14，该器件有两组独立的触点，其闭合动作时间为1ms,断开动作时间是0.5ms。使用时要注意2脚和6脚之间要加续流二极管。但是，从功耗和模拟开关的性能指标考虑，最好用AD公司的AD7502来代替该器件效果会更好。 （3）基准源电路

为了克服系统温度漂移所引起的测量误差和保证测量的精度，采用了系统自校准模式。定时起动自校准模式，重新确定标度变换斜率以减小系统测量误差。校准精度与基准源的精度有关。

a．基准源的选取

由于对基准源的精度要求很高，所以选取了MOTOROLA公司的MC1403。该公司的MC1403和MC1404均为高精度基准源。MC1404为5V的基准源，MC1403为2.5V的基准源，但是MC1404已经停产市面上没有，所以选取了MC1403。为验证其稳压性能做如下实验：

实验电路：

Vi Vout

2 O I 1 1u F R MC1403 1uF 4.7u F

C1 I GND 3 GND 图15 MC1403实验原理图

实验数据：

表 3 实验数据表

Vi 5V 12V 15V

结论：

1．负载的影响。输出在10mA以内，输出很稳定都是+2.53伏。 2．.输入的影响。理论上在+4.5V~+40V输入都可以，实际做了输入为+5V、+12V及+15V的实验。

由实验可以看出MC1403的性能很稳定，完全符合设计的要求。

b．实际电路

Vout（V） 2.53 2.53 2.53 加250欧的负载（V） 2.53 2.53 2.53 空载（V） 2.53 2.53 2.53 10

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基准源分压电路如图16，用2个HEF4501通过2EN、2C、2B、2A来控制基准源分压的导通，如表4所示。电阻R5~R12完成所需电压档的分压。

图 16 基准源分压电路 表 4 基准源分压档的选通 2EN 1 0 0 0 0 0 0 2C × 0 0 0 0 1 1 2B × 0 0 1 1 0 0 2A × 0 1 0 1 0 1 选通的电压（V） × 0.020 0.080 0.320 1.250 2.500 0.000 VOUT和AGND为基准电压源的输出，和其他的外部的测量信号一起被送到AD625的输入，

并根据需要，由程序选通。

（4）恒流源电路： 如图17所示，PT100工作时需要恒流源，根据PT100的特点，决定用OP07设计3.2mA的恒流源。 + 接

口

电

路

- 图17 PT100的连接示意图

3.2mA恒流源 11

PT100 基于SOPC的工业现场高精度多路数据采集系统

实际电路：

图18 OP07设计的恒流源

2．SOPC的硬件实现

如下图19所示，为加入到系统内部的各个模块。

图19 系统内部图

在生成NIOS CPU后，由于SOPC Builder模块池中没有计数器，采取在NIOS系统外围添加定时器模块，记数值通过NIOS I/O口读入NIOS系统。PLL锁相环输出频率分频后作为V/F转换器AD652的输入频率。

系统的顶层模块电路如下：

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图20 系统的顶层模块电路

3．通讯模块的硬件实现 (1) 结构示意图

系统使用RS-232C异步串行接口实现与上位机的通讯， RS-232C 接口是常用的、应用广泛的串行接口标准，大量的集成设备、工业产品都提供了RS－232C接口， 图 21为DE2板与上位机通过RS-232进行点对点通信的接口电路。

TxD

TxD RxD 上位机 GND

DE2 RxD

GND

图21 RS-232C点对点异步通讯接口

(2) 串行通信协议

在串行通信技术中，通信双发要进行正常的通信，必须要共同遵守一个通信协议。通用的串行通信协RS-232和RS-485仅对通信线路的电气特性进行了一些约束，并没有涉及通信内容的格式、类型的信息，而在实际应用中，往往需要考虑到数据传输的安全性、可靠性、通信效率的因素，因此，为满足这些实际需要的特殊要求，在串行通信系统设计中，经常需要为通信双方设定一个通信协议。这个协议通常搭建在RS-232、RS-485等硬件线路基础上，

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基于SOPC的工业现场高精度多路数据采集系统

提供诸如握手信号、错误检测、分组重发等功能。无论是双机通信还是多机通信，通信协议的设计与实现都是整个系统设计中的难点和关键所在。

根据实际需要，工业现场环境下的通信协议，跟为注重通信双方的事件执行事件顺序和数据可靠性，而很少考虑信息的安全性、通信效率等因素。由于通信协议的复杂性，通常需要将整个通信过程使用的协议分为几层，上一层的协议以下一层为基层，并作为下一层的数据部分被传送，而下一层并不关心上一层的格式及其实现功能。一个使用UART端口的通信系统，一般不考虑最底层的电气特性，可以将整个通信功能分为3个层次，从上到下分别是：

a．异步通信协议

该通信协议有一个起始位、5～9个数据位和1～2个停止位组成。该协议以位单位，一帧数据有多位组成。 如图1示。该协议主要在SOPC/Communication/UART（RS-232 serial port） IP核内定制。

b．中间层协议

使用一个字节或多个字节组成一帧，实现数据的通信，并提供分组、握手、错误检测和从发机制，保证数据的传输可靠。该层使用的协议是以字节为单位的。帧中的每个字节数据都使用底层的异步串行通信协议发送。

c．应用层

该部分负责将通信中得到的数据进行处理或者根据程序的需要向通信系统中的其它节点发出信息。这里信息收发的执行过程由中间层协议实现，应用程序对此并不关心。 图22为通信功能的层次划分示意图

应 用 程 序 自 定 义 协 议 异步串行通信协议 电气接口 与底层通讯链路

图22 通讯功能层次划分

由上述分析可知，通信系统协议设计主要指的就是中间部分的协议设计，它应该根据系统的实际需要为通信的传输提供必要的功能和可靠的保证，并为上一层应用程序的使用提供简洁良好的接口。

根据系统所测现场信号范围：

电流：4～20mA (精度 ?0.001mA ） 电压：0～10V (精度 ?5mV） 温度：0～150?C (精度 ?0.3?C ）

频率：几十kHz (精度 ?50Hz ）

利用取整、取余、求模的方法均可以把实际测量数据分离为 3个字节，再加上适当的控制命令进行路数识别和差错控制管理， 故在设计中以固定的数据帧格式传送数据，帧长为5 字节（共50 bits），由 1字节地址，3 字节数据、1 字节校验字节组成，如表5 所示。数据帧的发送顺序：字节内低位先发，多字节内高字节先发。

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