基于SOPC的现场总线多通道实时温度采集系统设计

ROFIBUS—DP专用通信协议芯片SPC3，这样可加速通信的执行，而且可以减轻微处理器的负担。

2.4 FPGA逻辑控制模块

基于FPGA的采集控制单元，采用自顶而下的模块化设计方法，使用Verilog HDL语言完成各控制模块的设计。FPGA逻辑控制模块包括A/D采样控制模块、FIFO读写控制模块和SPC3控制模块。

2.4.1 A/D采样控制模块

A/D采样控制模块负责控制外部ADS8402芯片多路模拟输入量的选通，并实现对A/D采样过程的合理控制。

由于ADS8402对16通道的模拟量采取分时转换的方式，因此在启动转换的同时还要进行通道选择。ADS8402设置了4根通道地址线A0、A1、A2、A3，以及地址锁存允许信号ALE。当ALE变高时，锁存由A0、A1、A2、A3编码所确定的通道号，将该通道的模拟量接入A/D转换器进行转换。依据这样的特性，设计一个带复位端的十六进制计数器，其计数输出端Q3、Q2、Q1、Q0分别与ADS8402的4根地址线相连。计数器上电复位以确保系统从0号通道开始采样。将ADS8402的转换结束信号EOC作为计数器的时钟信号，实现一路转换结束后自动启动对下一路模拟输入的采样控制。

A/D采样过程的控制采用有限状态机来实现，把某一通道的采样过程划分为7个状态，如图2所示。首先S0状态对各个控制信号进行初始化。在S1状态产生ALE信号的上升沿，锁存通道地址。启动信号START应在产生ALE信号的同一时钟下降沿产生，由于VHDL语言在同一进程内不允许时钟的两个沿作为敏感变量，所以将产生START信号单列为一个状态S2，启动转换。在启动转换后，ADS8402使EOC置为低电平，设置S3状态等待A/D转换结束。转换结束后，EOC信号由低电平转换为高电平，状态机进入S4状态，开启输出允许OE。状态机进入S5状态，开启数据锁存信号LOCK锁存数据。为产生与其他进程通信的信号，状态机设置S6作为最后一个状态，然后跳转回SO初始状态。

2.4.2 FIFO读写控制模块

采用2片FIFO轮流读写操作，实现FPGA与PC机之间的数据缓存。乒乓传输控制原理示意图如图3所示，图中的实线箭头与虚线箭头分别代表不同的读写数据周期。输入数据流通过输入数据流选择单元，等时地将数据流分配到FIFO1、FIFO2中。在第1个缓冲周期，将输入的数据流缓存到FIFO1。在第2个缓冲周期，通过输入数据流选择单元的切换，将输入的数据流缓存到FIFO2，与此同时，将FIFO1缓存的第1个周期的数据通过输出数据流选择单元的选择，送到数据流运算处理模块被运算处理。在第3个缓冲周期，通过输入数据流选择单元的再次切换，将输入的数据流缓存到FIFO1，与此同时，将FIFO2缓存的第2个周期的数据通过输出数据流选择单元的切换，送到数据流运算处理模块被运算处理。如此循环，周而复始。

2.4.3 SPC3控制模块

由于SPC3集成了完整的DP协议，因此在进行通信时，FPGA不用参与处理DP状态机。主要任务是根据SPC3产生的中断，将SPC3接收到的数据转存，组织要通过SPC3发给的数据，并根据要求组织外部诊断。在SPC3正常工作之前，需要进行初始化，以配置需要的寄存器，包括设置协议芯片的中断允许，写入从站识别号和地址，设置SPC3方式寄存器，设置诊断缓冲区，配置缓冲区、地址缓冲区、初始化长度，并根据以上初始值得出各个缓冲区的指针和辅助缓冲区的指针。通信模块的控制流程如图4所示。

3 系统的FPGA实现

3.1 Nios II系统架构设计

Nios II系统模块包含：Nios II处理器、Avalon总线、并行输入/输出口PIO、串行外围设备接口SPI、定时器Timer、片内存储器EPCS、片外存储器SDRAM、PROFIBUS-DP的客户定制逻辑。由Nios II处理器完成程序控制，主要负责对温度的采集与数据存储操作，并控制PROFIBUS -DP的通信过程。其架构如图5所示。

3.2 系统软件设计

Nios II处理器的软件设计是在软核内存放一段编写的C/C++语言控制程序。来控制系统运行，它可以读写芯片的存储单元，同时与外围的设备进行通信。在本系统中，Nios II程序的任务是：在规定的周期内，FPGA通过通信模块接收上位机发出的采样任务及控制参数，然后控制模拟选择开关ADG706和A/D转换器ADS8402，使它们对选定通道的模拟信号进行调理及A/D转换，并读取采样数据以乒乓传输数据方式传送至片外FIFO缓存，再通过PROFIBUS—DP通信接口将采样数据传输至上位机。主程序流程如图6所示。

结语

基于FPGA的多通道实时温度采集系统以Nios II软核处理器实现SOPC，进一步简化了硬件设计。与传统的基于MCU的多通道温度采集系统相比，该系统具有资源配置灵活、运行稳定可靠、实时性强等优点。另外，该系统具有标准PROFIBUS—DP接口，作为一个DP从站实