基于FPGA的高速AD轉(zhuǎn)換控制器設(shè)計(jì)

1、    基于FPGA的高速A/D轉(zhuǎn)換控制器設(shè)計(jì)        楊培善，許忠仁，付貴增，趙新雨 時(shí)間:2009年07月17日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>FPGA<"cblue" " tar

2、get='_blank'>VHDL<"cblue" " target='_blank'>A/D轉(zhuǎn)換器<"cblue" " target='_blank'>EP1C12Q240C8<"cblue" " target='_blank'>Altera       <"cblue" " target=&#

3、39;_blank'>Altera            摘 要： 采用<"cblue" " title="FPGA">FPGA器件<"cblue" " title="EP1C12Q240C8">EP1C12Q240C8實(shí)現(xiàn)對(duì)高速AD轉(zhuǎn)換芯片ADC08200的實(shí)時(shí)采樣控制，解決了傳統(tǒng)方法的速度問(wèn)題。使用<"cblue&quo

4、t; " title="VHDL">VHDL語(yǔ)言采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法編寫出源程序；結(jié)合FIFO存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高速A/D采集轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并給出了采樣存儲(chǔ)電路原理圖。數(shù)據(jù)處理可通過(guò)與SoPC技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞： FPGA；ADC08200；FIFO；VHDL 對(duì)<"cblue" " title="A/D轉(zhuǎn)換器">A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣控制，傳統(tǒng)方法一般是用 CPU或單片機(jī)完成的。其優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單、控制靈活，但缺點(diǎn)是控制周期長(zhǎng)、速度慢。例如 MCS-51系列單片機(jī)最高時(shí)鐘頻率

5、為12 MHz，AT89C2051單片機(jī)為24 MHz，這樣當(dāng)A/D本身的采樣速度比較快時(shí)，CPU或單片機(jī)的慢速工作時(shí)序?qū)O大地限制A/D高速性能的利用。當(dāng)采用FPGA對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)，由于FPGA的時(shí)鐘頻率可達(dá) 100 MHz以上，從而可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集，還可以把采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入FPGA內(nèi)部的高速RAM中。本設(shè)計(jì)是利用FPGA直接控制高速ADC08200對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，采集速度可達(dá)200 MS/s，然后將轉(zhuǎn)換好的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)迅速存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部的FIFO存儲(chǔ)器中。在完成對(duì)模擬信號(hào)一個(gè)周期的采樣后，由外部電路系統(tǒng)將存儲(chǔ)器中的采樣數(shù)據(jù)讀出處理。采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法可將本設(shè)計(jì)分為控制器模

6、塊和FIFO緩沖模塊。1 控制器模塊設(shè)計(jì)1.1 ADC08200芯片功能介紹ADC082001是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)公司生產(chǎn)的單通道、低功耗、高速8位<"innerlink" " title="模數(shù)轉(zhuǎn)換">模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有成本低、功耗低、體積小和易于使用等優(yōu)點(diǎn)。最高采樣頻率達(dá)200 MS/s。在掉電模式下ADC0820僅消耗1 mW。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)在50 MHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的輸入情況下可達(dá)到7.3有效采樣位。單電源3 V或2.5 V的供電，內(nèi)帶高質(zhì)量參考源和高性能采樣保持電路。主要端口：CLK：時(shí)鐘輸入端；VIN：模擬信號(hào)輸入端；PD：

7、掉電保護(hù)，當(dāng)PD為低時(shí)，D0D7正常輸出，當(dāng)PD為高時(shí)，D0D7輸出保持；D0D7：數(shù)據(jù)輸出端口。D0為數(shù)據(jù)最低位，D7為最高位；圖1、圖2分別為ADC08200的工作時(shí)序圖和外圍接口電路圖。  1.2 基于VHDL控制器的軟件設(shè)計(jì)VHDL是一種硬件描述語(yǔ)言，它可以對(duì)電子電路和系統(tǒng)的行為進(jìn)行描述。基于這種描述，結(jié)合相關(guān)的軟件工具，可以得到所期望的實(shí)際電路與系統(tǒng)。根據(jù)ADC08200的特點(diǎn)，可通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（VHDL）設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)機(jī)，最后下載到FPGA芯片上,通過(guò)FPGA芯片控制ADC08200的工件。時(shí)鐘由外部引入，由分頻模塊得到想要的時(shí)鐘。設(shè)計(jì)過(guò)程為編寫VHDL2代碼，

8、然后在Quartus3平臺(tái)下進(jìn)行編譯、仿真，最后下載到FPGA芯片中。仿真圖代碼如圖3所示。  LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY adc08200 ISPORT (RST ：IN STD_LOGIC；     CLK ：IN STD_LOGIC；     D ：IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)；     CTLOE：IN STD_LOG

9、IC；     ADCLK：OUT STD_LOGIC；     ADPD  ：OUT STD_LOGIC；     DATA  ：OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)；     DCLK  ：OUT STD_LOGIC)；END ENTITY adc08200；ARCHITECTURE BEHAVIOURAL OF adc08200 ISTYPE ADS_STATES IS(ST

10、ATE0_TYPE，STATE1_TYPE)；SIGNAL STA_G_CURRENTSTATE ： ADS_STATES；SIGNAL STA_G_NEXTSTATE   ：   ADS_STATES；SIGNAL CTL_GP_LATCHFLAG ：   STD_LOGIC；SIGNAL CTL_GP_CHIPSELECT ：   STD_LOGIC；BEGINCOM：PROCESS(STA_G_CURRENTSTATE)BEGIN    CASE STA_G_

11、CURRENTSTATE IS       WHEN STATE0_TYPE =>ADCLK<=1；CTL_GP_LATCHFLAG<=1；DCLK<=0；STA_G_NEXTSTATE<=STATE1_TYPE；WHEN STATE1_TYPE =>ADCLK<=0；CTL_GP_LATCHFLAG<=0；DCLK<=1；STA_G_NEXTSTATE<=STATE0_TYPE；WHEN OTHERS=>ADCLK<=0；CTL_GP_LATCHFLAG<

12、=0；DCLK<=1；STA_G_NEXTSTATE<=STATE1_TYPE；END CASE；    END PROCESS COM；REG：PROCESS(CLK,RST)BEGIN   IF RST=0 THEN STA_G_CURRENTSTATE<=STATE0_TYPE；   ELSIF(CLKEVENT AND CLK=1) THENSTA_G_CURRENTSTATE<=STA_G_NEXTSTATE；END IF；END PROCESS REG；LATCH：PR

13、OCESS(CTL_GP_LATCHFLAG)BEGIN   IF RST=0 THEN DATA<=(OTHERS=>0)；ELSIF(CTL_GP_LATCHFLAG'EVENT ANDCTL_GP_LATCHFLAG =1) THEN DATA<=D；END IF；END PROCESS LATCH；CTL_GP_CHIPSELECT<=CTLOE；ADPD<=NOT CTL_GP_CHIPSELECT；END ARCHITECTURE BEHAVIOURAL；2 高速存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)與功能仿真FIFO是一種存儲(chǔ)器參數(shù)可設(shè)

14、置模塊庫(kù)，在高速數(shù)字系統(tǒng)中常用作緩存。在高速數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)顯示領(lǐng)域中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速儲(chǔ)存和發(fā)送，要實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)采集、順序儲(chǔ)存和傳送，傳統(tǒng)的RAM型存儲(chǔ)器已經(jīng)無(wú)法滿足要求。目前許多高速系統(tǒng)都采用FIFO作為緩存體。因?yàn)镕IFO的寫入(讀出)時(shí)間只需要一個(gè)時(shí)鐘周期，不需要對(duì)地址進(jìn)行加1操作，大大提高了存儲(chǔ)速度。 利用LPM中的宏功能塊LPM_FIF0+，在Quartus平臺(tái)下定制一個(gè)高速的先進(jìn)先出FIFO，根據(jù)需要對(duì)所使用的宏功能塊的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，由此生成一個(gè)滿足自己特定需要的模塊。最后，利用例化語(yǔ)句，在頂層設(shè)計(jì)中調(diào)用該模塊。參數(shù)如下：LPM_W lDTH=>8，LPM_

15、NIJM W ORDS=>1024，LPM _SHOW AHEAD=>“OFF”，LPM_HIN=>“USE_EAB=ON”圖4為模塊 FIFO時(shí)序圖和例化后的模塊。 3 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)與功能仿真A/D轉(zhuǎn)換模塊與高速存儲(chǔ)模塊結(jié)合調(diào)理電路與數(shù)據(jù)處理電路就構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。調(diào)理電路和模擬信號(hào)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器ADC08200轉(zhuǎn)換模塊后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，傳給同樣由FPGA控制的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器FIFO。這樣就彌補(bǔ)了由單片機(jī)控制帶來(lái)的速度低的缺點(diǎn)。FIFO存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)可由單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)讀取和處理。在Quartus平臺(tái)下使用原理圖輸入方式可以使設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化。系統(tǒng)的連接圖如圖5所示

16、。其中CLK為時(shí)鐘信號(hào)；RST為復(fù)位信號(hào)；D7.0為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，接A/D的輸出；WR/RD為讀寫控制；RDCLK為讀時(shí)鐘；ACLR為清零信號(hào)；ADCLK接A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘CLK；ADPD接ADC08200的PD；WRFULL，RDEMPTY為寫滿，讀空顯示信號(hào)；Q7.0為輸出數(shù)據(jù)。帶FIFO的功能仿真圖如圖6。 采用EP1C12Q240C8芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)高速A/D轉(zhuǎn)換器ADC08200的實(shí)時(shí)采樣控制，充分利用了FPGA器件的高速高效優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)方法使用CPU或單片機(jī)控制速度慢的問(wèn)題，發(fā)揮了ADC08200高速采樣的性能（最高采樣頻率達(dá) 200 MS/s），實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以廣泛用于實(shí)際電路的控制系統(tǒng)。該電路的數(shù)據(jù)處理可以由CPU或單片機(jī)進(jìn)行，由SoPC技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理效果更好。參與文獻(xiàn)1 National Semiconductor.ADC08200 8-Bit，20 Msps to 200 Msps，Low Power A/D Converter with