基于Multibus總線的隔離AD／DA模塊設(shè)計(jì)

摘要：AD／DA模塊通過Multibus總線與主機(jī)通訊，通過AD接口采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制軟件處理，輸出模擬量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文簡要介紹了AD／DA模塊的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。
關(guān)鍵詞：AD／DA模塊；隔離；Multibus

0 引言
    在軍事控制領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和伺服控制功能，經(jīng)常會(huì)使用到AD／DA模塊。
    AD／DA模塊通過Multibus總線與主機(jī)通訊，通過AD接口采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制軟件處理，輸出模擬量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)的控制。另外通過對(duì)控制軟件的修改，此模塊還可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)AD或者DA功能。
    本設(shè)計(jì)中AD／DA模塊具備以下功能：
    (1)提供32路16位A／D，輸入信號(hào)范圍4～20mA；
    (2)提供2路16位D／A，輸出信號(hào)范圍4～20mA；
    (3)精度：板內(nèi)A／D-D／A自閉閉測(cè)度，誤差不大于0．025％；信號(hào)源經(jīng)過30m電纜傳送AD／DA模塊，最大誤差≤2‰；
    (4)AD／DA轉(zhuǎn)換芯片分別選用BB公司的ADS7821、DAC715；
    (5)接口控制部分使用ALTERA公司的EPF10K20R1240芯片來實(shí)現(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)原理
    如圖1硬件功能框圖所示，本模塊采用ALTERA公司EPF10K20R1240高性能FPGA芯片與Multibus總線連接。

    4～20mA的模擬電流量串上250Ω的精密電阻，轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓量。電壓量經(jīng)過多路選擇器MAX306進(jìn)入由LF156搭成的高阻、低漂放大器。然后進(jìn)入隔離運(yùn)放ISO120P，對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。隔離后的電壓信號(hào)經(jīng)過調(diào)整后送／入ADS7821進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。
    數(shù)字量經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換芯片DAC715轉(zhuǎn)換后，得到模擬量。模擬量經(jīng)過隔離運(yùn)放ISO120P進(jìn)行隔離。隔離后的電壓經(jīng)過電壓電流變換器XTR110得到4～20mA的電流調(diào)整后輸出。
    對(duì)于A／D、D／A的譯碼控制信號(hào)，總線收發(fā)器、應(yīng)答信號(hào)等由一個(gè)高性能的EPLD芯片完成。CPLD內(nèi)部主要實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能，將輸入的控制信號(hào)譯碼，然后輸出給AD、DA等功能芯片使用。另外兩個(gè)DC／DC模塊，分別對(duì)隔離前后的運(yùn)放等器件提供電源。[!--empirenews.page--]

2 買現(xiàn)方法
2．1 主要元器件選擇
    在本設(shè)計(jì)中采用成熟技術(shù)，選用常用、可靠的控制芯片，結(jié)合一些常用的外圍電路和專用電路實(shí)現(xiàn)全部的功能。由于對(duì)精度要求特別高，因此，在選用器件時(shí)，應(yīng)特別注意。
    選擇ALTERA公司EPF10K20R1240作為接口芯片，利用功能芯片實(shí)現(xiàn)硬件邏輯。
    A／D和D／A的精度主要由轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)決定。實(shí)際使用精度，即相當(dāng)于12位的轉(zhuǎn)換精度(0.025％)。16位轉(zhuǎn)換芯片的精度可達(dá)0.0015 3％?？紤]轉(zhuǎn)換芯片本身及其它器件的誤差，選用16位精度的A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS7821和D／A轉(zhuǎn)換芯片DAC715。ADS7821是帶采樣保持的高精度A／D芯片。其輸入范圍為O～5V，單一+5V供電，轉(zhuǎn)換完成時(shí)間為10 μs。最大線性誤差±4LSB，即其精度可達(dá)0．0061％。DAC715是0～10V輸出范圍的高精度D／A芯片。±15V供電，轉(zhuǎn)換完成時(shí)間為10μs。最大線性誤差±2LSB，即精度可達(dá)0．0031％。
    在對(duì)于其它器件的選擇上，同樣考慮了其精度問題，選用誤差非常小或?qū)扔绊懛浅Ｐ〉钠骷?。隔離運(yùn)放選用高精度隔離運(yùn)放IOS120 P，它的非線性誤差≤0．010％。電壓電流變換器XTR110的最大非線性誤差為0．005％。同樣，DC／DC電源也選用紋波非常小的模塊。
    這樣系統(tǒng)的A／D輸入的理論誤差為A／D轉(zhuǎn)換誤差加隔離誤差：0．0061％+0．010％=0．0161％，滿足用戶要求的0．025％。D／A輸出的理論誤差為D／A轉(zhuǎn)換誤差加隔離誤差加電壓電流轉(zhuǎn)換誤差：0．0031％+0．010+0．005％=0．0181％，同樣滿足使用要求。
2．2 電源設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)電源包括+5V、+15V、-15V、+24V。
    模塊所需的核心電壓為+5V，電壓電流變換器XTR110所需的+24V由系統(tǒng)的電源模塊提供。隔離器件的隔離+5V電壓，由DC／DC隔離電源模塊UWR-5／1600-D5A提供。
   AD、DA芯片需要提供+15V、-15V兩種電源。則由DC／DC隔離電源模塊UWR-15／275-D5A提供。選用DC／DC隔離電源模塊的特點(diǎn)是效率高、升降壓靈活且穩(wěn)定性高。
2．3 電壓電流變換設(shè)計(jì)
    根據(jù)實(shí)際需求，需要把DA轉(zhuǎn)換后的模塊電壓量，變換成所需的電流量。因此隔離后的電壓量經(jīng)過電壓電流變換器XTR110得到4～20mA的電流量輸出。如圖2所示：

2．4 抗干擾性設(shè)計(jì)
    信號(hào)經(jīng)過30m傳輸后串入的干擾很可能比較大。輸入的采樣信號(hào)為低頻信號(hào)，為了減小干擾信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響，除了對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行隔離外，在多路開關(guān)進(jìn)行通道選擇前加一級(jí)RC低頻濾波以提高抗干擾性。同時(shí)將RC低頻濾波電路放在通道選擇前，這樣整個(gè)通道的建立到轉(zhuǎn)換完成時(shí)間也會(huì)大大減少。[!--empirenews.page--]

3 CPLD設(shè)計(jì)
    CPLD片內(nèi)邏輯實(shí)現(xiàn)描述框圖見圖3。在CPLD內(nèi)部主要實(shí)現(xiàn)了3個(gè)主要的功能：與Multibus總線的邏輯接口的實(shí)現(xiàn)；內(nèi)部的寄存器的實(shí)現(xiàn)；控制邏輯的實(shí)現(xiàn)。

4 軟件設(shè)計(jì)
    本模塊在主機(jī)的控制下完成模擬輸入的數(shù)據(jù)采集和控制模擬輸出信號(hào)。其工作流程為：主機(jī)發(fā)出命令字選擇通道，并啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。主機(jī)讀取命令字，判斷轉(zhuǎn)換是否完成。若轉(zhuǎn)換完成則讀取結(jié)果。否則重讀命令字。流程如圖4所示。

5 結(jié)束語
    本設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了隔離AD／DA的工作特點(diǎn)，整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性給予了足夠的關(guān)注。經(jīng)長時(shí)間考核，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。