基于FPGA的可编程电阻装置设计

李小文，刘伟良，刘丽君

（株洲南车时代电气股份有限公司 技术中心，湖南株洲412001）

目前工业领域包括机车车辆领域所使用的压力传感器、温度传感器多采用电阻式传感器，传感器的阻值随着压力、温度的变化而变化。而与这些传感器相连的控制器或指示器在研发调试或生产测试过程中采用阻值和档位固定的标准电阻来模拟这些传感器。这样，在需要更换一种型号的传感器时必须更换一组标准电阻，因而可操作性差，费工费时。而在某些生产测试中需要同时提供几组不同阻值的电阻，且需要重复提供使用，这就需要人工不停的调节阻值或不停的切换连线，工作强度大且容易出错。

针对这些问题，研发一种受计算机控制的可调电阻装置将变得不可或缺。本文将介绍一种可编程电阻装置，其通过并行总线或以太网接收来自计算机的指令，然后通过FPGA控制电阻网络并最终给出期望的电阻值。

1 可编程电阻装置主要技术参数

可编程电阻装置主要技术参数见表1。

表1 可编程电阻装置主要技术参数

2 硬件设计

可编程电阻装置系统如图1所示，包括FPGA控制电路、继电器电阻网络、继电器驱动电路、电平转换电路、以太网接口电路、LED显示电路、电源转换电路等功能电路。

图1 可编程电阻装置系统方框图

2.1 FPGA控制电路

FPGA控制电路是整个系统的核心，利用FPGA众多的GPIO接口控制相应继电器的开合并最终得到不同的电阻值。另外，还可以在FPGA中嵌入一个MicroBlaze处理器实现并行总线通讯和以太网通讯功能以及控制LED显示电路。一般数字电路的主控器多采用单片机、DSP、ARM进行控制，本系统中采用FPGA作为主控器具有如下明显优势：①拥有众多I／O管脚，且每个管脚可以任意配置，非常适合多继电器控制的场合；②使用硬件编程语言（HDL）将直接面对底层硬件，具有极大的灵活性和通用性；③拥有丰富的逻辑资源对并行总线的地址解码具有显而易见的优势；④FPGA遵循IEEE 1149.1标准，具有边界扫描的功能，极大方便了硬件测试并减少了测试成本、降低维护难度。

现阶段市场上主要生产FPGA的厂家有Xilinx、Altera和Lattice，本系统采用Xilinx公司Spartan3AN系列的器件，型号为XC3S700AN-4FG484I。该FPGA器件资源丰富，有372个I／O管脚并内置8M的FLASH，适合本设计。

2.2 继电器电阻网络

继电器电阻网络是设计的关键部分之一，组成此网络的方法有二进制编码方式、8421BCD编码方式等；电阻的连接方式有串联方式、并联方式、串并结合方式。本文的继电器电阻网络采用电阻串联方式和8421编码，即用16个（一个字）精密电阻串联，再在每个电阻上并联一个继电器开关，通过继电器开关的开合来选择对应电阻从而实现任意阻值的组合。继电器电阻网络的连接如图2所示。

图2 继电器电阻网络

在图2中，一共有16个电阻进行串联连接组成一路电阻输出通道，且电路中的电阻值符合如下规则：按照十进制数每一位数为一级；每级由4个二进制数组成；每4个二进制数对应的电阻值遵从8421的编码规则。图2中K0～K15是和16个电阻一一对应的继电器开关，当K0～K15全部闭合时，输出的电阻值为0Ω；当K0～K15全部断开时，输出的电阻值为16个电阻值之和。

可编程电阻装置的控制过程为：通过通讯接口接收每一路输出电阻的设定值，FPGA处理后生成相应的8421码，经继电器驱动电路控制继电器开关，最终得到符合设定值的电阻。例如通过并行总线通讯收到第一路输出电阻设定值为9 630Ω，继电器开关闭合和断开的状态分别对应“1”和“0”。那么经FPGA变换成8421码后，千位上的数值“9”对应的4个二进制数为“0110”；百位上的数值“6”对应的4个二进制数为“1001”；十位上的数值“3”对应的4个二进制数为“1100”；个位上的数值“0”对应的4个二进制数为“1111”。那么9630对应的二进制数为“0110，1001，1100，1111”，即闭合K14，K13，K11，K8，K7，K6，K3，K2，K2，K0将对应的电阻切除出电路，剩下的电阻串联形成最终的电阻值为9 630Ω。通过上述原理可以看出基于FPGA的可编程电阻网络具有数字化、可编程制、电阻值任意组合等特点。

另外，由于输出电阻的精度要达到1%，因此在选择电阻时一定要选择精密电阻，精度在0.1%以上。继电器的选型也很重要，其接触电阻小于等于10mΩ的为佳。

2.3 继电器驱动电路

本系统采用继电器开关对电阻进行切除，但继电器的控制需要一定的电流驱动能力，而FPGA的I／O口一般比较小，仅几个毫安无法直接驱动，必须在FPGA和继电器中间加入驱动电路。继电器驱动电路如图3所示，其采用基于达林顿电路的驱动方式，而达林顿电路是用两个晶体管接成一个复合型晶体管，其电流放大倍数是两个晶体管的电流放大倍数的乘积。因此，通过此驱动电路可以达到用很小的电流来控制较大电流的目的。

图3 继电器驱动电路

2.4 以太网接口电路

以太网接口电路为以太网通讯提供物理层接口，与MicroBlaze处理器内部自带的MAC（数据链路层）控制器一起完成一路10／100Mb／s自适应全双工网口功能。该电路包括以太网接口芯片、时钟电路、脉冲变压器、ESD防护电路构成。PHY芯片采用KSZ8721BLI，为该电路的核心，芯片的配置由FPGA控制单元完成。时钟电路为以太网口提供基准时钟，采用25M有源晶振。脉冲变压器用于数据收发信号的电气隔离。ESD防护电路则采用TVS二极管阵列实现，为以太网口提供ESD保护。

2.5 电平转换电路

电平转换电路作为FPGA与并行总线之间的桥梁，完成5V电平与3.3V电平信号之间的相互转换。一般外部测试系统使用的并行总线为5V的TTL电平或COMS电平和装置内部的LVTTL（3.3V）电平不能兼容，所以外部测试系统和内部系统之间需要增加此电平转换电路。

2.6 电源转换和LED显示电路

可编程电阻装置系统需要5V、3.3V和1.2V3种电源，但是外部输入电源仅提供5V一种电源，所以必须在系统内部进行电源转换。考虑到系统电源效率，先用DC-DC电源模块将5V转换成3.3V，然后用LDO电源芯片将3.3V转换成1.2V。其中5V供给继电器和电平转换芯片使用，3.3V供给以太网接口电路和FPGA使用，1.2V作为FPGA的核电源。

另外，可编程电阻装置作为一种产品必须提供良好的人机接口，将装置的工作状态通过LED显示出来不可或缺。LED显示电路将指示系统电源状态、FPGA工作状态、以太网工作状态等信息。

3 FPGA软件设计

软件开发通过Xilinx公司的嵌入式开发套件（EDK）来实现。根据电阻装置的功能需求，需要在FPGA上嵌入MicroBlaze软核，搭建处理器系统。MicroBlaze是一个基于哈佛结构的RISC高性能32位微处理器，可方便地使用EDK开发环境生成，包括处理器功能单元、系统外围总线结构、终端外设以及相应的地址映射和默认驱动等基本架构的定制，如图4所示。

图4 FPGA内部功能模块框图

系统内部结构搭建完成后，即可在EDK自带的软件开发环境SDK中进行应用程序开发。应用程序要实现的主要功能是接受来自并行总线或以太网接口的指令，通过内部解析，然后控制继电器的触点动作，从而改变电阻网络输出值。软件的主要流程如图5所示。

图5 程序流程图

4 可编程电阻装置试验

可编程电阻装置的试验是为了验证产品能否满足技术规格要求所进行的试验。它是新产品鉴定中必不可少的一个环节，只有通过全面的试验验证后产品才能投入应用。

在试验过程中利用计算机控制界面输入16个通道的设定电阻值并通过以太网通讯传到可编程电阻装置，然后用电阻测量仪分别测试16个通道的实际电阻值，最后比较实际电阻值和设定电阻值并计算相应精度。表2仅为通道1的一组试验数据，其他通道类似。

为精确测量可编程电阻装置的精度，试验必须使用高精度的仪器进行测量而不能使用普通的万用表。本试验使用了Agilent的34401A六位半的台式万用表进行测量，通过计算可知输出电阻的精度控制在规定的范围内。试验全面考核了可编程电阻装置的各种功能和各项性能，对其能力、可靠性、稳定性进行了有效的评估。

表2 第1通道输出电阻值试验数据

5 结束语

系统通过引进FPGA来实现提供各种标准阻值的可编程电阻装置并将外围的数字电路都集成在该芯片之中，极大简化了硬件设计、提高了系统的可靠性。该装置已经在沈阳地铁二号线逆变器试验设备和深圳地铁5号线VVVF逆变器测试装置上成功运行。该装置能作为一个子系统方便应用在大测试系统中，特别适合铁路产品、地铁产品以及其他工业领域的测试系统，应用前景广泛。

［1］陈永煌.可编程标准电阻发生器［J］.安徽电机学院学报，2000，15（6）：65-67.

［2］陈 慧.单片机控制的可编程标准电阻发生器［J］.安徽电机学院学报，2007（2）：32-33.

［3］杨晓慧，杨永健.基于FPGA的EDA／SOPC技术与VHDL［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［4］IEEE Std 1149.1-2001，IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture［S］.New York.USA：IEEE.2001.