ADl871型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：ADl871是AnalogDevices公司生產(chǎn)的105dB、96kHz高性能立體聲24位∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器。 由于是串行輸出，故當(dāng)其被用于高速數(shù)據(jù)采集時(shí)，如果直接乖微型計(jì)算機(jī)(MCU)相連，采樣速率會(huì)大大降低。為此，用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)設(shè)計(jì)了ADl871和MCU之間的接口，解決了這一問題。給出用VHDL語言設(shè)計(jì)的接口電路和程序并進(jìn)行了仿真。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；AD1871；VHDL；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；設(shè)計(jì)

1 引言
    科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率、分辨率、精度、接口及抗干擾能力等提出越來越高的要求。ADl871是目前市場(chǎng)上動(dòng)態(tài)范圍、采樣速率和采樣精度等指標(biāo)都很突出數(shù)據(jù)的一款24位ADC，它的推出為設(shè)計(jì)高速、高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種較好的解決方案。由于其輸出為串行輸出，當(dāng)其和MCU直接相連時(shí)，會(huì)使采樣系統(tǒng)的采樣速率大大降低。

    如果MCU的I/O端口的實(shí)際最高速率是1MHz(單片機(jī)的速率通常是這個(gè)數(shù)量級(jí))，那么I/O端13傳輸1Bit的最短時(shí)間間隔為1μs，當(dāng)ADl871輸出2路各24Bit時(shí)，需要實(shí)際串行輸出64Bit，故采樣速率下降為1MHz/64=15.625kHz，這個(gè)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADl871的96kHz，另外，單片機(jī)把64位串行數(shù)據(jù)再處理為2個(gè)24位的并行數(shù)據(jù)時(shí)，速度會(huì)進(jìn)一步降低。

    為此，筆者采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)設(shè)計(jì)了ADl871和MCU之間的接口，由FPGA完成對(duì)ADl871的控制，并將其輸出的串行數(shù)據(jù)在FPGA的內(nèi)部變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，并行后的數(shù)據(jù)以8位或12位為一組發(fā)給MCU。由于FPGA的實(shí)際傳輸速率可以滿足和ADl871的傳輸速率要求，故上述“瓶頸”得以解決。

2 接口設(shè)計(jì)
2．1 時(shí)鐘設(shè)計(jì)
    圖1示出A/D轉(zhuǎn)換器的輸入時(shí)鐘設(shè)計(jì)，MD轉(zhuǎn)換器工作在從模式下時(shí)，需要外部提供RLCLK和BCLK。在主時(shí)鐘MCLK的輸入下，通過對(duì)MCLK 4分頻得到BCLK的信號(hào)，用來作為位數(shù)據(jù)提取的信號(hào)。RLCLK是通過對(duì)BCLK的32分頻得到的，用來區(qū)分左右通道的數(shù)據(jù)，同時(shí)輸出EN信號(hào)作為后續(xù)處理的同步信號(hào)。

2．2 接口設(shè)計(jì)
    在圖2中，輸入為MCLK(主時(shí)鐘)、RESET(啟動(dòng)信號(hào))和SHIFTIN(A/D輸出數(shù)據(jù))，輸出為RL(左右?guī)盘?hào))、BCLK(A/D數(shù)據(jù)位時(shí)鐘)，TXT(并行數(shù)據(jù)讀取控制)和SHIFTOUT(并行數(shù)據(jù)輸出)。通過時(shí)鐘控制輸出BCLK和RLCLK到AD1871，AD1871傳出數(shù)據(jù)SHIFTIN進(jìn)入SHIFT模塊，SHIFT模塊在正確的位時(shí)鐘下讀取SHIFTIN的輸入數(shù)據(jù)，并進(jìn)行串，并轉(zhuǎn)換，之后輸出8位或12位的數(shù)據(jù)。同時(shí)輸出TXT并行數(shù)據(jù)讀取控制。

2．3 SHIFT模塊程序

Emity shifill is
PORT(BCLK：IN STD_LOGIC；一輸入的BCLK位信號(hào)
CR ：IN STD_LOGIC；--輸入的使能信號(hào)
SHIFTIN：IN STD_LOGIC：--AD輸入的串行信號(hào)
RLEN：IN STD_LOGIC；--輸入的RLCLK使能，幀對(duì)準(zhǔn)信號(hào)
TXTS：OUT STD_LOGIC；--8位的組信號(hào)輸出控制信號(hào)
sddddd：OUT STD_LOGIC_VECTOR (7DOWNTO 0)； --8位并行信號(hào)輸出)；
end shift11：
architecture Behavioral of shift11 is
SIGNAL TEMPDATE：STD_LOGIC_VEC—TOR(8 DOWNTO 0)；
SIGNAL TEMPO11：STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO 0)：=“00000000”；
SIGNAL Q：INTEGER RANGE 0 T0 7；
一并行信號(hào)計(jì)數(shù)8位產(chǎn)生一個(gè)脈沖；
SIGNAL Q4：INTEGER RANGE 0 TO 3；
--有用信號(hào)選擇，選擇32位中的24位；

    筆者用MaxPlus II對(duì)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真后得到圖3所示的時(shí)序圖，完全滿足設(shè)計(jì)要求，從圖3可以看出串行輸入的數(shù)據(jù)(shiflin)變成并行的數(shù)據(jù)(shiftout)輸出，在此過程中數(shù)據(jù)延時(shí)8個(gè)周期，每個(gè)txts的上升沿提取數(shù)據(jù)能保證數(shù)據(jù)的正確性。因?yàn)閺臄?shù)據(jù)的變動(dòng)到txts的上升沿有400ns，大于FPGA的數(shù)據(jù)建立時(shí)間(25ns~50ns)，可以保證提取數(shù)據(jù)的正確性。

3 小型采樣系統(tǒng)
    圖4示出采用ADl871構(gòu)成的采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)在1個(gè)FPGA上實(shí)現(xiàn)，分為3部分：并轉(zhuǎn)換模塊；ADC控制和配置；UART通信。

    具體的功能是實(shí)現(xiàn)ADC的初始化、信號(hào)的采集存儲(chǔ)及UART通信。

    工作原理是由ADC控制模塊來接收PC的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)控制數(shù)據(jù)到ADC，對(duì)ADC的工作狀態(tài)進(jìn)行配置。完成后ADC采樣并儲(chǔ)存在FIFO中，通過控制向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。

    從仿真結(jié)果看，整個(gè)系統(tǒng)的工作正常，說明接口設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

4 結(jié)束語
    由ADl871構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、高信噪比等特點(diǎn)，特別適用于高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?！?△型ADC具有抗干擾能力強(qiáng)、量化噪聲小、分辨率高、線性度好、轉(zhuǎn)換速度較高、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越多地受到電子產(chǎn)品用戶及設(shè)計(jì)人員的重視。解決這類ADC的接口問題在實(shí)際設(shè)計(jì)中具有重大意義。筆者設(shè)計(jì)的接口使單片機(jī)從接收數(shù)據(jù)的困境中解脫出來，大大提高了單片機(jī)的采樣速率，原來處理一幀數(shù)據(jù)需要讀64次，現(xiàn)在只需要6次，在12位輸出的情況下只需要4次，也就是說采用FPGA后單片機(jī)的I/O口可以達(dá)到1MHz/6=166．66kHz的采樣速率，大大超過了96kHz的采樣速率，使單片機(jī)有時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些處理。