CPLD為控制核心16位高精度數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

1 引言

　　CPLD ( Complex Programmable Logic Device ) 是新型的可編程邏輯器件，與傳統(tǒng)ASIC相比，具有設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于產(chǎn)品的樣品開發(fā)和小批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表多以單片機(jī)為控制核心，芯片集成度不高，系統(tǒng)連線復(fù)雜，難以小型化，尤其在產(chǎn)品需求發(fā)生變化時(shí)，不得不重新布版、調(diào)試，增加了投資風(fēng)險(xiǎn)和成本。而采用CPLD進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，可以靈活地進(jìn)行模塊配置，大大縮短了開發(fā)周期，也有利于數(shù)字電壓表向小型化、集成化的方向發(fā)展。

　　2系統(tǒng)原理及組成

　　系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)的控制核心是一片CPLD芯片，它由三個(gè)功能模塊構(gòu)成： A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制模塊、碼制變換模塊以及顯示控制/驅(qū)動模塊。三個(gè)模塊的功能分別為發(fā)出控制信號啟動A/D轉(zhuǎn)換及讀取采樣值、對AD采樣值進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換、發(fā)出控制信號驅(qū)動LED/LCD顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)工作原理：測量信號經(jīng)過信號預(yù)處理，變換為0～2.5V范圍內(nèi)的有效信號后送入A/D轉(zhuǎn)換電路中，然后A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制模塊發(fā)出控制信號，啟動A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，A/D采樣得到的數(shù)字信號在碼制變換模塊中轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的顯示代碼，最后經(jīng)顯示控制/驅(qū)動模塊發(fā)出控制與驅(qū)動信號，推動外部的顯示模塊（LED/LCD）顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　3CPLD功能模塊設(shè)計(jì)

　　智能數(shù)字電壓表的控制核心CPLD的三個(gè)功能模塊皆用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)，下面主要介紹CPLD的三個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。

　　3.1 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序仿真模塊AD_CONTROL

　　ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的AD7715是一片16位的∑-Δ ADC集成電路。它的主要特性有：3V/5V工作電壓，單／雙極性輸入；可編程改變增益為1，2，32，128倍；在單極性輸入狀態(tài)下模擬電壓輸入范圍允許為0～20mV, 0～80mV, 0～1.25V, 0～2.5V不等（有利于提高精度）；三線串行接口；支持差分輸入；低功耗（450 mF [email=Max@3V]Max@3V[/email]）。在本系統(tǒng)中AD7715的作用是將0~2.5V的輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為16位的高精度的數(shù)字信號供CPLD處理。AD_CONTROL模塊用于控制AD7715的啟動、讀、寫等操作。設(shè)計(jì)的AD_CONTROL模塊如圖2所示，其VHDL語言的ENTITY定義部分如下：

　　如圖所示，二者的接口信號線直接連接并由AD_CONTROL模塊模擬產(chǎn)生AD7715芯片的各個(gè)接口信號，完成ADC的啟動、讀、寫操作。AD7715的工作模式由內(nèi)部寄存器（Communications Register，Setup Register，Test Register，Data Register）中的控制字決定。內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)寫入和讀出都由CS，DRDY，SCLK信號控制。當(dāng) AD7715被訪問時(shí)，SCLK腳應(yīng)出現(xiàn)一次帶上升沿的高電平，其時(shí)鐘頻率應(yīng)為9.2kHz。這是關(guān)鍵信號，其他信號均以此信號作為時(shí)基。因此，CPLD中的AD_CONTROL模塊的功能之一就是提供SCLK 以及其他信號的嚴(yán)格時(shí)序。圖3、圖4分別為AD_CONTROL模塊讀、寫AD7715時(shí)序圖。

　　3. 2 碼制變換模塊DATA_CONVERSION

　　在此碼制變換模塊DATA_CONVERSION中主要實(shí)現(xiàn)的功能是將AD采樣送來的16位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為可被LED/LCD識別的七段LED顯示碼或字符型LCD碼。在本系統(tǒng)中此模塊包含了這兩種轉(zhuǎn)換功能以適應(yīng)顯示端不同的配置。為了達(dá)到這一目的，首先要將16位二進(jìn)制碼變換為BCD碼，然后再分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到七段顯示碼及字符型碼。在此模塊中各個(gè)BLOCK部分的碼制變換的VHDL程序可通過WHEN-ELSE語句進(jìn)行查表來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換的過程如圖5所示。

　　3.3 顯示控制及驅(qū)動模塊DISL_DRIVE

　　電壓值的顯示可由LED或LCD實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中對于電壓值的顯示分為mV和V兩檔，所以需要在后面加上單位來明確，且本系統(tǒng)為低功耗系統(tǒng)，若用LED則功耗相對過大，所以選用了一塊8×2字符型液晶顯示模塊MDSL81809-03，實(shí)現(xiàn)了低功耗，而且可帶單位雙排顯示，字體美觀大方。 DISL_DRIVE示，整個(gè)電路十分簡潔。系統(tǒng)工作過程首先由 CPLD對AD7715及LCD進(jìn)行初始化，然后當(dāng)有輸入信號V i（0～2.5V）到AIN+端后，由CPLD通過接口向AD7715的寄存器中寫入控制字，使其對輸入的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)?6位的數(shù)字信號送到DOUT端，由CPLD經(jīng)過碼制變換等處理后，再通過與LCD的接口驅(qū)動并發(fā)送數(shù)據(jù)，將電壓值及單模塊與LCD的接口如圖6所示。圖中LCD的RS端需輸入方波驅(qū)動，這可由CPLD編程提供。當(dāng)AD7715采樣完成后,由DATA_CONVERSION模塊將采樣數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為LCD可識別的字符型數(shù)據(jù)后，送至DISL_DRIVE模塊，再由其驅(qū)動LCD，將字符型數(shù)據(jù)送到LCD的D0~D7端，實(shí)現(xiàn)顯示。

　　4系統(tǒng)設(shè)計(jì)和邏輯仿真

　　CPLD的三個(gè)功能模塊用VHDL語言描述，進(jìn)行綜合仿真后連接起來的系統(tǒng)電路原理圖如圖7所位顯示在LCD上。

　　本系統(tǒng)采用的CPLD芯片為ALTERA公司的EPF10K10LC84-4芯片，邏輯門數(shù)為10000門，用MAX+PLUSⅡ10.0軟件工具開發(fā)。設(shè)計(jì)輸入完成后，進(jìn)行整體的編譯和邏輯仿真，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換、延時(shí)仿真生成配置文件，最后下載至CPLD器件，完成結(jié)構(gòu)功能配置，實(shí)現(xiàn)其硬件功能。

　　5 總結(jié)

　　本系統(tǒng)是用CPLD實(shí)現(xiàn)的智能數(shù)字電壓表。隨著EDA技術(shù)的廣泛應(yīng)用，CPLD已成為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要手段，CPLD目前正朝著更高速、更高集成度、更強(qiáng)功能和更靈活的方向發(fā)展。