IXO 3.6V 3

WBSTAR寄存器

　　WBSTAR寄存器共31位，高三位是保留位，RS［1：0］

　　兩位指定了可以多重配置的bit流的個數(shù)。RS_TS_B是RS［1：0］的使能信號：0表示Disabled，1表示Enabled.

　　START_ADDR表示要回讀的比特流在外部配置存儲器的起始地址。狀態(tài)機(jī)在對WBSTAR進(jìn)行賦值時，要根據(jù)自己選擇的bit流個數(shù)以及對應(yīng)各個bit流在外部配置存儲器貯存的地址自行計(jì)算WBSTAR地址。這里以4個bit流為例說明WBSTAR地址的計(jì)算方法，如表2所示。狀態(tài)機(jī)使用的地址是服從SelectMAP數(shù)據(jù)順序的地址。FPGA配置邏輯在收到IPROG指令后，開始執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位操作（JATG管角和重載控制部分不進(jìn)行復(fù)位操作），擦除板卡上原有的程序，從FLASH芯片中WBSTAR所指向的起始地址開始讀取新配置文件完成FPGA的重配置。

　　WBSTAR地址的計(jì)算示意

　　2多重配置的實(shí)現(xiàn)

　　Xilinx系列的FPGA需要將后綴名為mcs的內(nèi)存鏡像文件固化到外部配置存儲器中，F(xiàn)PGA上電后才能自動加載配置文件。一般的mcs文件只包含一個bit流文件，多重啟動的固化文件（。mcs）包含多bit流文件。在將多個bit流整合到mcs文件的過程中，需要指定每個bit流的起始地址，這樣FPGA配置邏輯才能根據(jù)地址找到對應(yīng)的bit流。首先將用戶開發(fā)的應(yīng)用程序和重載控制模塊添加到一個工程當(dāng)中，利用ISE編譯軟件生成位流文件（。bit）。由于Virtex5系列器件本身的特性，一般情況下生產(chǎn)的bit流文件大約為3 300 KB，而SPIFLASH的容量為32 Mb即4 MB，這個容量無法滿足在一個SPI FLASH上貯存多個bit流文件，需要對生成的bit流進(jìn)行壓縮。在用ISE軟件生成bit流文件時，當(dāng)完成了Synthesize-XST以及Implement Design后，執(zhí)行到后一步Generate Programming File時，在Process Proper-ties中General Options選項(xiàng)中勾選Enable BitstreamCompression.通過這個壓縮設(shè)置可以對bit流進(jìn)行壓縮，壓縮后的bit流大約在500~600 KB之間，可以滿足在一個容量為32 Mb的SPI FLASH上貯存多個bit流文件。其次將需要進(jìn)行重配置的多個位流文件拷貝至一個工程目錄下，有兩種方法可以將多個bit流整合為一個mcs文件。第一種方法是通過ISE編譯軟件的命令行窗口，使用命令行命令將多個位流文件合并為一個FLASH存貯芯片M25P32中燒寫的內(nèi)存鏡像文件（。mcs）。第二種方法是用Impact軟件創(chuàng)建MultibootSPI FLASH，選擇相應(yīng)的FPGA型號和FLASH的容量以及要包含的bit流的個數(shù)（版本的個數(shù)）。本文使用第一種方法來將多個bit流文件形成一個內(nèi)存鏡像文件（。mcs）。使用promgen命令的具體格式為：

　　promgen -spi -pmcs -oMulitBoot.mcs-s4096 -u0rev0.bit -u100000rev1.bit -u200000rev0.bit -u300000rev0.bit命令中各參數(shù)的說明如下所述。-spi：表示生成的mcs文件要固化到SPI FLASH中；-p mcs：生成文件的格式是mcs格式；-o ML507.mcs：要生成的文件名，可以根據(jù)需要修改；-s 4096：定義了外部存儲器的容量，4096表示32 Mb；- u 0rev0.bit：表示名字為rev0的比特流文件在外部存儲器的起始地址為0；-u 100000 rev1.bit：表示名字為rev1的比特流文件在外部貯存的起始地址為100000.在生成mcs文件后，通過IM-PACT軟件將mcs文件固化到SPI FLASH中。

　　FPGA上電自動從外部SPI FLASH加載一個初始化的bit流，當(dāng)需要執(zhí)行新的程序時，會根據(jù)觸發(fā)條件以及啟動地址重新配置。在實(shí)驗(yàn)中，通過PC機(jī)串口終端發(fā)送指令當(dāng)做觸發(fā)條件實(shí)現(xiàn)多重配置。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以根據(jù)具體硬件實(shí)現(xiàn)，采用其他通信方式傳送控制指令來進(jìn)行觸發(fā)。該參考設(shè)計(jì)顯示了如何開發(fā)一款適合工業(yè)過程控制和智能傳感器的、高壓2-wire或3-wire 4–20mA電流環(huán)變送器。此外，還提供誤差分析測試數(shù)據(jù)、熱特征數(shù)據(jù)、原理圖以及分析軟件。

關(guān)鍵詞：電流環(huán)變送器智能傳感器電流環(huán)

　　該參考設(shè)計(jì)顯示了如何開發(fā)一款適合工業(yè)過程控制和智能傳感器的、高壓2-wire或3-wire 4–20mA電流環(huán)變送器。此外，還提供誤差分析測試數(shù)據(jù)、熱特征數(shù)據(jù)、原理圖以及分析軟件。

　　有關(guān)4–20mA變送器設(shè)計(jì)計(jì)算表（XLSX）現(xiàn)在可供下載。

　　引言

　　4–20mA電流環(huán)廣泛用作工業(yè)領(lǐng)域的模擬通信接口，可以方便地通過雙絞線將遠(yuǎn)端傳感器數(shù)據(jù)傳送到控制中心的可編程邏輯控制器（PLC）。這種接口簡單、可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長距離可靠傳輸，具有良好的抗噪性，實(shí)施成本較低，非常適合長期的工業(yè)過程控制以及遠(yuǎn)端自動監(jiān)測。

　　毫無疑問，工業(yè)發(fā)展和當(dāng)今所有的電子應(yīng)用一樣，需求強(qiáng)勁，要求精度更高、功耗更低，并在-40°C至+105°C擴(kuò)展工業(yè)級溫度范圍內(nèi)可靠工作，具備更高的性和系統(tǒng)保護(hù)，還要求支持高速可尋址遠(yuǎn)端傳感器（HART?）協(xié)議。總而言之，這些要求使得當(dāng)今的4–20mA電流環(huán)設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性。

　　本文介紹了如何開發(fā)4–20mA電流環(huán)變送并進(jìn)行性能分析，以及如何選擇滿足嚴(yán)苛工業(yè)要求的元器件。提供誤差分析測試數(shù)據(jù)、熱特征數(shù)據(jù)、原理圖以及分析軟件。

　　工作原理及關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

　　我們首先從參考設(shè)計(jì)入手，圖1所示為、低功耗、4–20mA電流環(huán)變送器的方框圖，該設(shè)計(jì)大幅減少了元件數(shù)量，具有高性價(jià)比。

Figure 1. Reference design for a 4–20mA loop-powered transmitter features the MAX5216 16-bit DAC (U1), the MAX9620 op amp (U2), the MAX6133 voltage reference (U3), and the MAX15007 LDO (U4).

　　圖1. 4–20mA環(huán)路供電變送器參考設(shè)計(jì)，由MAX5216 16位DAC （U1）、MAX9620運(yùn)算放大器（U2）、MAX6133電壓基準(zhǔn)（U3）和MAX15007 LDO （U4）組成。

　　該參考設(shè)計(jì)采用低功耗、元件，25°C時精度優(yōu)于0.01%；整個溫度范圍內(nèi)，精度優(yōu)于0.05%，支持工業(yè)上嚴(yán)格的4–20mA電流環(huán)要求。該設(shè)計(jì)采用了MAX5216，低功耗16位DAC （U1）；MAX9620，零失調(diào)、滿擺幅輸入輸出（RRIO）、運(yùn)算放大器（U2）；MAX6133，電壓基準(zhǔn)（U3）；以及MAX15007，40V低靜態(tài)電流LDO （U4）。

　　U3電壓基準(zhǔn)為U1提供低噪聲、5ppm/°C （大值）低溫漂和高的2.500V電壓。智能傳感器微控制器通過3線SPI總線向U1發(fā)送命令。U1輸出經(jīng)過分壓并被Q1功率MOSFET、10Ω （±0.1%）檢流電阻（RSENSE）以及U2轉(zhuǎn)換為環(huán)路電流。U1、U2和U3器件由U4供電，后者由環(huán)路直接供電。Q2、BJT晶體管和檢測電阻（R6）構(gòu)成限流電路，將環(huán)路電流限制在大約30mA，防止失控條件以及損壞PLC側(cè)的ADC。肖特基二極管（D1）保護(hù)變送器不受反向電流損害。

　　性能分析

　　參考設(shè)計(jì)工作于低功耗，所選元件的大耗流在+25°C時小于200μA；在-40°C至+105°C溫度范圍內(nèi)小于300μA。U2運(yùn)算放大器在時間和整個溫度范圍的輸入失調(diào)電壓為25μV （大值），理想用于、高可靠性系統(tǒng)。10Ω檢流電阻允許使用較低的環(huán)路供電電壓；小電阻耗散功率較低，允許使用小封裝，從而進(jìn)一步減小變送器尺寸。例如，如果只有10Ω RSENSE和10Ω負(fù)載，其上大壓降在30mA時為600mV。U4 LDO在提供3.3V輸出時只需連接4V電源電壓即可正常工作，小環(huán)路電壓可低至5V。但是，如果PLC負(fù)載為250Ω，那么小環(huán)路電源電壓為 4V + 30mA × （10 + 250）Ω = 11.8V。

　　注意，為了更地估算小環(huán)路供電電壓，還考慮環(huán)路電源內(nèi)阻。

　　測試期間，輸出在10Ω時呈現(xiàn)出的噪聲。增大RSENSE電阻值將增大功耗和小環(huán)路供電電壓，但也降低了環(huán)路噪聲。這種綜合平衡可由用戶控制。

　　U2運(yùn)算放大器跟蹤R2和RSENSE上的壓降，在其兩個輸入節(jié)點(diǎn)維持0V。該電路滿足以下關(guān)系式：

　?。ㄊ?）

　?。ㄊ?）

　　式中IOUT為環(huán)路電流 I（R2）為通過R2的電流。 I（R1）為通過R1的電流。 I（R3）為通過R3的電流。式2中，我們假設(shè)U2的IN+和IN-輸入電流為0。按照式1和式2，4mA初始環(huán)路電流由I（R3）電流設(shè)置，而I（R1）為0。所以：

（式3）

　　通過R3的電流等于U3電壓基準(zhǔn)輸出除以R3。式3可重寫為：

　?。ㄊ?）

　　根據(jù)有關(guān)通過4–20mA電流環(huán)路發(fā)送故障信息的Namur NE43建議，測量信息的信號范圍為3.8mA至20.5mA，允許過程讀數(shù)發(fā)生略微的線性超量程。有些情況下，當(dāng)定義了附加故障條件時，甚至?xí)枰蟮膭討B(tài)范圍，比如3.2mA至24mA。因此，選擇R2 = 24.9kΩ，IOUT_INIT = 3.2mA，從式4求解R3，得到：

RS3 70-IAC5 OPTO22

RS3 70-ODC5R OPTO22

RS3 80S QUANTUM HARD DISK

RS3 80S QUANTUM HARD DISK

RS3 80S QUANTUM HARD DISK

RS3 80S QUANTUM HARD DISK

RS3 80S QUANTUM HARD DISK

RS3 DC 300XLP 45 MB TAPE

RS3 DC 6150 150 MB TAPE

RS3 IAC5 OPTO22

RS3 M3345A FUJITSU LIMITED PRINTER

RS3 DX2400 FUJITSU LIMITED PRINTER

RS3 OAC5 OPTO22

RS3 OAC5A OPTO22

RS3 OAC5A OPTO22

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 ST34520N SEAGATE HARD DRIVE

RS3 WD400BB-00DEA0 WESTERN DIGITAL HARD DRIVE

RS3 MTCC ENHANCED KEYBOARD

RS3 KEYBOARD WITH TRACKBALL AND OPTIONS KEYBOARD

RS3 KEYBOARD WITH TRACKBALL AND OPTIONS KEYBOARD

Honeywell TDC3000 Equipment

TDC3000 30671513-001 TERMINAL PANEL MODEL C-TCB30

TDC3000 30731808-001 REGULATOR

TDC3000 30731811-001 PWA, OUTPUT

TDC3000 30731823-001 A/D MUX PWB

TDC3000 30731832-001 PWA, PROCESSOR

TDC3000 30735863-001 SWITCHING PWB

TDC3000 30735863-002 C-CDS00 ANALOG SWITCHCARD

TDC3000 30735866-001 DECODER PWB

TDC3000 4DP7APXAD211 A/D CONVERTER R3

TDC3000 4DP7APXDH11 CABLE I/F

TDC3000 4DP7APXDH111 PWA, Highway I/F

TDC3000 4DP7APXDH233 PWA, DATA HIGHWAY I/F

TDC3000 4DP7APXIA322 ANALOG IN

TDC3000 4DP7APXID211 1 MEC 24V DIG IN

TDC3000 4DP7APXIO211 PWA I/O

TDC3000 4DP7APXOA311 ANALOG OUT

TDC3000 4DP7APXOD411 7100 DIGITAL OUT P-XOD41

TDC3000 4DP7APXPM155 PWA, DATA HIGHWAY I/F

TDC3000 4DP7APXPR211 1 POINT FILE CON

TDC3000 4DP7APXPR311 2 POINT FILE CON

TDC3000 51303903-100 TERMINAL PANEL MODEL P-TCB60

TDC3000 82407381-001 PWB, CONTROL

TDC3000 82407387-001 PWB, IBC R15/20/30 J-CBC00

TDC3000 82407390-001 IBI **MOUNTED TO 82408215-001

TDC3000 82407390-001 PWB, IBI R30

TDC3000 82407444-001 PANEL, TERM J-TPF40

TDC3000 82407465-001 REG-A

TDC3000 82407468-001 REG-B

TDC3000 82407468-002 REG-B

TDC3000 82408215-001 PWB, IBI A/D R15 **MOUNTED TO 82407390-001

TDC3000 82408217-001 PWB, MOS CPU R15

TDC3000 82408330-001 PWA, HIWAY #2

TDC3000 82408363-001 J-TPF20

TDC3000 82408440-001 PWB, UAC I/F R30

TDC3000 82408449-001 PWB, IBCD R30

TDC3000 82408452-001 RBCD CONTROLL R300

TDC3000 82408456-002 J-CBM55

TDC3000 82408458-002 BM-A CARD

TDC3000 82408461-001 BM-B CARD

TDC3000 82408464-100 SO SWITCH

TDC3000 82408467-001 PWB, I/O BUS SW

TDC3000 82408470-001 PWB, I/O BUS SW

TDC3000 82408485-001 PWB, SBLA III

TDC3000 82408667-001 PWA, ROM/RAM 535

TDC3000 82408667-003 PWB, ROM/RAM 505

TDC3000 CHASSIS J-CB535 W/SBC MAIN BACKPLANE 82407411

TDC3000 CHASSIS J-CD506 W/RBCD BACKPLANE 82408512

TDC3000 CHASSIS J-CDD50 W/RBCD I/O BUS SWITCH BACKPLANE 82408517

TDC3000 CHASSIS J-CDM50 W/BACKUP MEMORY BACKPLANE 82408522

TDC3000 CHASSIS J-PF200 W/SBC I/O BACKPLANE 82407364-001

TDC3000 51400700-100 PWA, Data Highway I/F

TDC3000 51400667-100 PWA, Enhanced LCN

TDC3000 51401288-100 PWA, HPK2-2MW

TDC3000 51108088-100 PWA, DHI I/O

TDC3000 51107403-100 I/O CARD, LCN

TDC3000 51109919-100 PWA, PCSR

TDC3000 80360206-100 PWA, CLI

TDC3000 51400910-100 PWA, EMEM 1MW

TDC3000 51400667-100 PWA, Enhanced LCN

TDC3000 51400901-100 PWA, EMPU

TDC3000 51107403-100 I/O CARD, LCN

TDC3000 80360230-001 PWA, CLI I/O

TDC3000 51400668-100 WDC

TDC3000 51400910-100 PWA, EMEM 1MW

TDC3000 51400667-100 PWA, Enhanced LCN

TDC3000 51400901-100 PWA, EMPU

TDC3000 51108676-100 PWB, I/O WREN II

TDC3000 51107403-100 I/O CARD, LCN

TDC3000 51198947100F D/C 0610

TDC3000 51198947100F D/C 0610

TDC3000 51198947100F D/C 0610

TDC3000 51198947100F D/C 0610

TDC3000 80363969-150 HW ANALOG INPUT,16

TDC3000 80363969-150 HW ANALOG INPUT,16

TDC3000 80363969-150 HW ANALOG INPUT,16

TDC3000 80363969-150 HW ANALOG INPUT,16