基于FPGA的超高速工业控制器

摘要

一种基于FPGA的超高速工业控制器，包括有主控制单元，FPGA独立电源供电单元，JTAG调试接口电路，EPCS16程序配置电路，时钟输入与自动/手动复位电路单元，调理板电源供电单元，16路模拟量输入A/D转换单元，8路模拟量输出D/A转换单元，开关量输入信号隔离与调理单元，开关量输出信号隔离与驱动单元，RS232/半/全双工RS485/RS422总线通信单元，16路工业现场开关量输入，上位机或接入工业网络。本发明仅使用一片FPGA作为主控芯片，完成工业控制系统的模拟量、开关量的采集与控制，最突出的特点是速度快、超高速，同时具有成本低、通用性好、稳定性高、可靠性好、现场可编程与扩展能力强等优点。

主权项

一种基于FPGA的超高速工业控制器，包括有主控制单元（1），其特征在于，所述主控制单元（1）的：模拟量信号输入端通过2组SPI接口连接16路模拟量输入A/D转换单元（7），模拟量信号输出端通过SPI接口连接8路模拟量输出D/A转换单元（8），开关量信号输入端连接开关量输入信号隔离与调理单元（9），开关量信号输出端连接开关量输出信号隔离与驱动单元（10），所述的16路模拟量输入A/D转换单元（7）和8路模拟量输出D/A转换单元（8）的电源输入端分别连接调理板电源供电单元（6），所述的开关量输入信号隔离与调理单元（9）的输入端连接16路工业现场开关量输入（12），所述主控制单元（1）通过RS232/半/全双工RS485/RS422总线通信单元（11）连接上位机或接入工业网络（13），所述主控制单元（1）的电源输入端连接FPGA独立电源供电单元（2），所述主控制单元（1）还分别连接JTAG调试接口电路（3）、EPCS16程序配置电路（4）和时钟输入与自动/手动复位电路单元（5），其中，所述的主控制单元（1）与所述的FPGA独立电源供电单元（2）、JTAG调试接口电路（3）、EPCS16程序配置电路（4）以及时钟输入与自动/手动复位电路单元（5）共同构成基于FPGA的超高速工业控制器的四层核心板，所述的调理板电源供电单元（6）与16路模拟量输入A/D转换单元（7）、8路模拟量输出D/A转换单元（8）、开关量输入信号隔离与调理单元（9）、开关量输出信号隔离与驱动单元（10）以及RS232/半/全双工RS485/RS422总线通信单元（11）共同构成基于FPGA的超高速工业控制器的两层信号调理板；所述的FPGA独立电源供电单元（2）包括有将24V直流电源转换成5V直流电源的DC/DC转换模块U4，所述DC/DC转换模块U4输出的5V直流电源分别连接型号为LM2596的开关型稳压电源U5、型号为AMS1117‑2.5V的线性稳压电源U2和型号为AMS1117‑1.2V的线性稳压电源U3，所述开关型稳压电源U5的1脚接5V电源以及分别通过电容C39和电容C41接地，0脚、3脚和5脚接地，2脚连接电感L的一端，电感L的另一端与4脚共同分别通过电容C1、电容C40和电容C42接地，还共同依次通过电阻R3和发光二极管Led接地，还共同构成3.3V电源输出端，所述的线性稳压电源U2和线性稳压电源U3的3脚分别连接DC/DC转换模块U4输出的5V电源，该线性稳压电源U2和线性稳压电源U3的3脚还分别对应通过电容C38和电容C45接地，1脚均接地，所述的线性稳压电源U2的2脚和4脚均分别通过电容C36和电容C37接地，通过电感L输出2.5V电源，以及通过电感L和电容C35接地，所述的线性稳压电源U3的2脚和4脚输出2.5V电源，以及均分别通过电容C43和电容C44接地；所述的16路模拟量输入A/D转换单元（7）包括有连接16路模拟量输入信号的前8路信号的模拟量输入类型选择与电压转换电路（71）、与所述的模拟量输入类型选择与电压转换电路（71）的输出端相连的第一片12位8通道A/D转换器电路（73）、连接16路模拟量输入信号的后8路信号的模拟量输入信号I/V变换电路（72）和与所述的模拟量输入信号I/V变换电路（72）的输出端相连的第二片12位8通道A/D转换器电路（74），所述的第一片12位8通道A/D转换器电路（73）和第二片12位8通道A/D转换器电路（74）的输出端均连接A/D接口数字隔离电路（75），所述的A/D接口数字隔离电路（75）通过2组SPI接口连接至主控制单元（1）的8个用户I/O口上。