利用可編程邏輯控制器CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

利用可編程邏輯控制器CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)1．引言本文所介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于ARM的信號(hào)處理系統(tǒng)中的一部分，該信號(hào)處理系統(tǒng)用于導(dǎo)彈的數(shù)字式自動(dòng)駕駛儀的開發(fā)研究中。整個(gè)系統(tǒng)由信號(hào)放大、信號(hào)濾波、信號(hào)采樣、高速數(shù)字信號(hào)處理等部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它的高速性和準(zhǔn)確性直接影響到整個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)方法是應(yīng)用CPU通過軟件控制模數(shù)轉(zhuǎn)換，這樣必將頻繁中斷系統(tǒng)的運(yùn)行從而減弱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，數(shù)據(jù)采集的速度也將受到限制。因此，本文利用可編程邏輯控制器CPLD，由硬件控制模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從而最大限度地提高系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理能力。2．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示?；赩erilogHDL設(shè)計(jì)的自動(dòng)狀態(tài)機(jī)由硬件控制A/D轉(zhuǎn)換以及自動(dòng)向FIFO中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)達(dá)到要求時(shí)，向CPU申請(qǐng)中斷，ARM系統(tǒng)啟動(dòng)DMA完成數(shù)據(jù)讀取。待CPU取走數(shù)據(jù)后，給狀態(tài)機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)，同時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理。這期間數(shù)據(jù)采集不中斷，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由A/D芯片AD7656、邏輯控制芯片EPM7128、FIFO芯片CY7C425以及緩沖74LVT245組成，控制邏輯用VerilogHDL語(yǔ)言描述。3．硬件設(shè)計(jì)3.1A/D轉(zhuǎn)換芯片系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD7656，一個(gè)AD7656芯片擁有6個(gè)16位逐次漸進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在5V電壓供電下采樣率為250kSPS。芯片中的采樣保持放大器最大處理輸入頻率為8MHz。轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)獲取由CONVST信號(hào)和內(nèi)部時(shí)鐘控制，三個(gè)CONVST管腳可以控制三對(duì)獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器同時(shí)采樣。AD7656根據(jù)內(nèi)部參考電壓2.5V可提供±10V或者±5V的雙極性模擬量輸入范圍，或者根據(jù)外部參考電壓提供不同范圍的雙極性模擬量輸入信號(hào)。AD7656的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)序圖如圖2所示。將三個(gè)CONVST管腳連接在一起后，即可對(duì)六個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器同時(shí)進(jìn)行采樣。CONVST的上升沿觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs。轉(zhuǎn)換過程中，BUSY信號(hào)保持高電平不變，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，BUSY信號(hào)由高變低，系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤模式，轉(zhuǎn)換結(jié)果存于輸出數(shù)據(jù)寄存器中。當(dāng)片選信號(hào)保持低電平不變時(shí)，連續(xù)六個(gè)讀信號(hào)低電平能夠依次讀出六個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。3.2FIFO存儲(chǔ)器系統(tǒng)的FIFO存儲(chǔ)器采用CY7C425，它是CYPRESS公司采用CMOS工藝制造的1K×9位可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出算法，可以進(jìn)行異步讀寫操作的雙端口存儲(chǔ)器。它提供全空、全滿、半滿狀態(tài)標(biāo)志，用以防止數(shù)據(jù)溢出或不足。擴(kuò)展邏輯電路允許多片F(xiàn)IFO進(jìn)行數(shù)據(jù)寬度和存儲(chǔ)深度的擴(kuò)展而不會(huì)增加額外的時(shí)間延遲。CY7C425的異步讀寫時(shí)序圖如圖3所示。當(dāng)寫信號(hào)為低電平時(shí)發(fā)生寫操作，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過寫操作不斷存入FIFO中，存入一定數(shù)量的數(shù)據(jù)后，再通過讀信號(hào)將FIFO中的數(shù)據(jù)依次讀入CPU中。采用兩片CY7C425擴(kuò)展為16位1024字的高速異步FIFO存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)處理速度達(dá)到50MHz，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速寫入和高速讀出。3.3狀態(tài)機(jī)模塊狀態(tài)機(jī)FSM完成自動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，控制芯片是EPM7128。此狀態(tài)機(jī)由系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，控制A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換、FIFO的復(fù)位及寫數(shù)，并產(chǎn)生中斷信號(hào)通知CPU讀取數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)使用了兩片AD7656，而不同芯片的個(gè)體會(huì)有差別，同一器件也會(huì)有溫漂、時(shí)漂還有老化的問題，如果采用中斷方式取數(shù)，很有可能會(huì)引起各個(gè)通道A/D采樣率不一致并且單個(gè)通道A/D工作時(shí)采樣率也不恒定。因此，可以不管BUSY信號(hào)，只需要把各段的時(shí)序留夠足夠的裕量就可以了，譬如AD7656的轉(zhuǎn)換時(shí)間是3μs，那么，只要狀態(tài)機(jī)保持CONVST至少3μs的高電平，這樣就可以完全確定A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。這樣控制器就可以不需要檢測(cè)A/D的BUSY信號(hào)，同時(shí)也能很準(zhǔn)確地保證采樣速率了。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，轉(zhuǎn)換信號(hào)CONVST及FIFO復(fù)位信號(hào)MR保持低電平不變，此時(shí)不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)復(fù)位后，CONVST上升沿觸發(fā)轉(zhuǎn)換開始，系統(tǒng)進(jìn)入采樣保持階段。3μs后，待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，連續(xù)產(chǎn)生12個(gè)A/D讀脈沖，可以依次讀出12個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。取數(shù)的同時(shí)產(chǎn)生FIFO的寫脈沖，可將讀出的數(shù)據(jù)連續(xù)寫入FIFO中。為利于CPU中處理軟件的編寫，CPLD中設(shè)置了一個(gè)計(jì)數(shù)器，可以進(jìn)行32（2的5次方）次采樣。最后發(fā)送中斷信號(hào)到CPU，CPU通過DMA方式將數(shù)據(jù)全部讀入內(nèi)部存儲(chǔ)器，數(shù)字濾波通過取和以后右移5位即可進(jìn)行。4．VerilogHDL描述電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般遵循自上而下的設(shè)計(jì)思路，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、描述與仿真?？紤]到模塊的通用性、移植性，常常使用硬件描述語(yǔ)言來(lái)描述數(shù)字系統(tǒng)，如VerilogHDL、VHDL、AHDL語(yǔ)言等。其中VerilogHDL語(yǔ)言具有結(jié)構(gòu)清晰、文法簡(jiǎn)明、功能強(qiáng)大、高速模擬和多庫(kù)支持等優(yōu)點(diǎn)，被近90%的半導(dǎo)體公司使用，成為一種強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具。4.1用VerilogHDL語(yǔ)言描述自動(dòng)狀態(tài)機(jī)自動(dòng)狀態(tài)機(jī)有兩個(gè)輸入信號(hào)和七個(gè)輸出信號(hào)。輸入信號(hào)中CLK由CPU的輸出頻率提供，產(chǎn)生50MHz的時(shí)鐘頻率，RST由CPU提供，負(fù)責(zé)復(fù)位狀態(tài)機(jī)。CONVST產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)；ADC_CS、ADC1_RD、ADC2_RD分別是兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的片選信號(hào)以及讀信號(hào)；FIFO_WR和FIFO_MR控制FIFO的讀數(shù)和復(fù)位；中斷信號(hào)INT通知CPU在DMA方式下取數(shù)。程序如下：modulefsm（RST，CLK，CONVST，ADC_CS，ADC1_RD，ADC2_RD，F(xiàn)IFO_WR，F(xiàn)IFO_MR，INT）;inputRST，CLK;outputCONVST，ADC_CS，ADC1_RD，ADC2_RD，F(xiàn)IFO_WR，F(xiàn)IFO_MR，INT;regCONVST，ADC_CS，ADC1_RD，ADC2_RD，F(xiàn)IFO_WR，F(xiàn)IFO_MR，INT;parameterST0=8‘b00000000，ST150=8’b10010110，ST152=8‘b10011000，ST153=8’b10011001，ST155=8‘b10011011，ST156=8’b10011100，ST158=8‘b10011110，ST159=8’b10011111，ST161=8‘b10100001，ST162=8’b10100010，ST164=8‘b10100100，ST165=8’b10100101，ST167=8‘b10100111，ST168=8’b10101000，ST170=8‘b10101010，ST171=8’b10101011，ST173=8‘b10101101，ST174=8’b10101110，ST176=8‘b10110000，ST177=8’b10110001，ST179=8‘b10110011，ST180=8’b10110100，ST182=8‘b10110110，ST183=8’b10110111，ST185=8‘b10111001;reg［7:0］COUNTER;reg［4:0］CN;always@（posedgeCLK）if（！RST）beginCOUNTER《=0;ADC_CS《=1;ADC1_RD《=1;ADC2_RD《=1;FIFO_WR《=1;FIFO_MR《=0;CONVST《=0;CN《=0;INT《=0;endelseif（CN》=5’b11111）beginINT《=1;COUNTER《=0;ADC_CS《=1;ADC1_RD《=1;ADC2_RD《=1;FIFO_WR《=1;FIFO_MR《=0;CONVST《=0;endelsebeginif（COUNTER《8‘b11001100）COUNTER《=COUNTER+8’b00000001;elsebeginCN《=CN+5‘b00001;COUNTER《=0;endcase（COUNTER）ST0：beginCONVST《=1;FIFO_MR《=1;endST150：beginADC_CS《=0;ADC1_RD《=0;FIFO_WR《=0;endST152：beginFIFO_WR《=1;ADC1_RD《=1;endST153：beginFIFO_WR《=0;ADC1_RD《=0;endST155：beginFIFO_WR《=1;ADC1_RD《=1;endST156：beginFIFO_WR《=0;ADC1_RD《=0;endST158：beginFIFO_WR《=1;ADC1_RD《=1;endST159：beginFIFO_WR《=0;ADC1_RD《=0;endST161：beginFIFO_WR《=1;ADC1_RD《=1;endST162：beginFIFO_WR《=0;ADC1_RD《=0;endST164：beginFIFO_WR《=1;ADC1_RD《=1;endST165：beginFIFO_WR《=0;ADC1_RD《=0;endST167：beginFIFO_WR《=1;ADC1_RD《=1;endST168：beginFIFO_WR《=0;ADC2_RD《=0;endST170：beginFIFO_WR《=1;ADC2_RD《=1;endST171：beginFIFO_WR《=0;ADC2_RD《=0;endST173：beginFIFO_WR《=1;ADC2_RD《=1;endST174：beginFIFO_WR《=0;ADC2_RD《=0;endST176：beginFIFO_WR《=1;ADC2_RD《=1;endST177：beginFIFO_WR《=0;ADC2_RD《=0;endST179：beginFIFO_WR《=1;ADC2_RD《=1;endST180：beginFIFO_WR《=0;ADC2_RD《=0;endST182：beginFIFO_WR《=1;ADC2_RD《=1;endST183：beginFIFO_WR《=0;ADC2_RD《=0;endST185：beginFIFO_WR《=1;ADC2_RD《=1;ADC_CS《=1;CONVST《=0;endendcaseendendmodule4.2仿真圖形圖4為狀態(tài)機(jī)復(fù)位時(shí)的仿真圖形。由圖可以看出，當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)CONVST保持為低電平，A/D轉(zhuǎn)換器不采集數(shù)據(jù)。同時(shí)，F(xiàn)IFO復(fù)位信號(hào)FIFO_MR也保持低電平不變，可將FIFO中的數(shù)據(jù)清空。當(dāng)復(fù)位信號(hào)變高后，在外部時(shí)鐘CLK的第一個(gè)上升沿，CONVST電平升高，開始A/D轉(zhuǎn)換（存在時(shí)延）。圖5為狀態(tài)機(jī)從A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)讀入FIFO中的時(shí)序圖。由圖可知，3