基于Multibus总线的隔离AD／DA模块设计

摘要：AD／DA模块通过Multibus总线与主机通讯，通过AD接口采集数据，经过控制软件处理，输出模拟量驱动执行机构。本文简要介绍了AD／DA模块的设计原理和实现方法，并对一些关键技术进行介绍。
关键词：AD／DA模块；隔离；Multibus

0 引言
    在军事控制领域，为了实现数据采集和伺服控制功能，经常会使用到AD／DA模块。
    AD／DA模块通过Multibus总线与主机通讯，通过AD接口采集数据，经过控制软件处理，输出模拟量驱动执行机构。从而实现一个闭环的控制。另外通过对控制软件的修改，此模块还可以单独实现AD或者DA功能。
    本设计中AD／DA模块具备以下功能：
    (1)提供32路16位A／D，输入信号范围4～20mA；
    (2)提供2路16位D／A，输出信号范围4～20mA；
    (3)精度：板内A／D-D／A自闭闭测度，误差不大于0．025％；信号源经过30m电缆传送AD／DA模块，最大误差≤2‰；
    (4)AD／DA转换芯片分别选用BB公司的ADS7821、DAC715；
    (5)接口控制部分使用ALTERA公司的EPF10K20R1240芯片来实现。

1 设计原理
    如图1硬件功能框图所示，本模块采用ALTERA公司EPF10K20R1240高性能FPGA芯片与Multibus总线连接。

    4～20mA的模拟电流量串上250Ω的精密电阻，转换成1～5V的电压量。电压量经过多路选择器MAX306进入由LF156搭成的高阻、低漂放大器。然后进入隔离运放ISO120P，对信号进行隔离。隔离后的电压信号经过调整后送／入ADS7821进行A／D转换。
    数字量经过D／A转换芯片DAC715转换后，得到模拟量。模拟量经过隔离运放ISO120P进行隔离。隔离后的电压经过电压电流变换器XTR110得到4～20mA的电流调整后输出。
    对于A／D、D／A的译码控制信号，总线收发器、应答信号等由一个高性能的EPLD芯片完成。CPLD内部主要实现组合逻辑功能，将输入的控制信号译码，然后输出给AD、DA等功能芯片使用。另外两个DC／DC模块，分别对隔离前后的运放等器件提供电源。

2 买现方法
2．1 主要元器件选择
    在本设计中采用成熟技术，选用常用、可靠的控制芯片，结合一些常用的外围电路和专用电路实现全部的功能。由于对精度要求特别高，因此，在选用器件时，应特别注意。
    选择ALTERA公司EPF10K20R1240作为接口芯片，利用功能芯片实现硬件逻辑。
    A／D和D／A的精度主要由转换芯片的位数决定。实际使用精度，即相当于12位的转换精度(0.025％)。16位转换芯片的精度可达0.0015 3％。考虑转换芯片本身及其它器件的误差，选用16位精度的A／D转换芯片ADS7821和D／A转换芯片DAC715。ADS7821是带采样保持的高精度A／D芯片。其输入范围为O～5V，单一+5V供电，转换完成时间为10 μs。最大线性误差±4LSB，即其精度可达0．0061％。DAC715是0～10V输出范围的高精度D／A芯片。±15V供电，转换完成时间为10μs。最大线性误差±2LSB，即精度可达0．0031％。
    在对于其它器件的选择上，同样考虑了其精度问题，选用误差非常小或对精度影响非常小的器件。隔离运放选用高精度隔离运放IOS120 P，它的非线性误差≤0．010％。电压电流变换器XTR110的最大非线性误差为0．005％。同样，DC／DC电源也选用纹波非常小的模块。
    这样系统的A／D输入的理论误差为A／D转换误差加隔离误差：0．0061％+0．010％=0．0161％，满足用户要求的0．025％。D／A输出的理论误差为D／A转换误差加隔离误差加电压电流转换误差：0．0031％+0．010+0．005％=0．0181％，同样满足使用要求。
2．2 电源设计
    系统电源包括+5V、+15V、-15V、+24V。
    模块所需的核心电压为+5V，电压电流变换器XTR110所需的+24V由系统的电源模块提供。隔离器件的隔离+5V电压，由DC／DC隔离电源模块UWR-5／1600-D5A提供。
   AD、DA芯片需要提供+15V、-15V两种电源。则由DC／DC隔离电源模块UWR-15／275-D5A提供。选用DC／DC隔离电源模块的特点是效率高、升降压灵活且稳定性高。
2．3 电压电流变换设计
    根据实际需求，需要把DA转换后的模块电压量，变换成所需的电流量。因此隔离后的电压量经过电压电流变换器XTR110得到4～20mA的电流量输出。如图2所示：

2．4 抗干扰性设计
    信号经过30m传输后串入的干扰很可能比较大。输入的采样信号为低频信号，为了减小干扰信号对转换精度的影响，除了对输入的信号进行隔离外，在多路开关进行通道选择前加一级RC低频滤波以提高抗干扰性。同时将RC低频滤波电路放在通道选择前，这样整个通道的建立到转换完成时间也会大大减少。

3 CPLD设计
    CPLD片内逻辑实现描述框图见图3。在CPLD内部主要实现了3个主要的功能：与Multibus总线的逻辑接口的实现；内部的寄存器的实现；控制逻辑的实现。

4 软件设计
    本模块在主机的控制下完成模拟输入的数据采集和控制模拟输出信号。其工作流程为：主机发出命令字选择通道，并启动A／D转换。主机读取命令字，判断转换是否完成。若转换完成则读取结果。否则重读命令字。流程如图4所示。

5 结束语
    本设计充分体现了隔离AD／DA的工作特点，整个设计结构紧凑、性能稳定、抗干扰能力强，实现了系统功能，同时对系统的稳定性和可靠性给予了足够的关注。经长时间考核，本系统运行稳定可靠。