多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中FIFo的設(shè)計(jì)

摘 要：首先介紹了多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、FIFO芯片IDT7202。然后分別分析了FIFO與CPLD、AD接口的設(shè)計(jì)方法。由16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD976完成模擬量至位數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，由ATERA公司的可編程邏輯器件EPM7256A完成對(duì)數(shù)據(jù)的緩存和傳輸?shù)母鞣N時(shí)序控制以及開(kāi)關(guān)量采樣時(shí)序、路數(shù)判別。采用FIFO器件作為高速A／D與DSP處理器間的數(shù)據(jù)緩沖，有效地提高了處理器的工作效率。
關(guān)鍵詞：IDT7202；CPLD；FIFO；電路設(shè)計(jì)

    隨著數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)處理的速度越來(lái)越快，容量越來(lái)越大，為了配合不同時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸，必須使用FIFO來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)匹配的目的，從而提高系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要由信號(hào)采集電路AD，F(xiàn)IFO，CPLD和TI公司數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C25409組成?？梢圆杉?2路模擬量，64路開(kāi)關(guān)量。接收到的模擬信號(hào)首先要通過(guò)運(yùn)放放大、采樣、然后通過(guò)模擬電子開(kāi)關(guān)、再實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO送至DSP處理，CPLD負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集、A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的時(shí)序。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)中使用了2片高速A／D轉(zhuǎn)換芯片AD976，AD976是AD公司生產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是采用電荷重分布技術(shù)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)IFO選用了IDT公司的IDT7202。它具有輸入和輸出兩套數(shù)據(jù)線，獨(dú)立的讀／寫(xiě)地址指針，在讀／寫(xiě)脈沖的控制下順序地從雙口FIFO讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀／寫(xiě)地址指針均從第一個(gè)存儲(chǔ)單元開(kāi)始，直到最后一個(gè)存儲(chǔ)單元，然后又回到第一個(gè)存儲(chǔ)單元。系統(tǒng)采用了2片IDT7202將數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)展為16位，DO～D1為64路開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)；D2～D15為32路模擬量數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)工作時(shí)，IDT7202內(nèi)部的仲裁電路通過(guò)對(duì)讀指針和寫(xiě)指針的比較，相應(yīng)給出FIFO的空(EF)和滿(FF)狀態(tài)指示；CPLD可以根據(jù)所獲得的FIFO狀態(tài)標(biāo)志控制FIFO的讀／寫(xiě)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)FIFO的讀／寫(xiě)操作。

2 FIFO芯片IDT7202的介紹
    FIFO(First In First Out)簡(jiǎn)單說(shuō)就是指先進(jìn)先出。作為一種新型大規(guī)模集成電路，F(xiàn)IFO芯片以其靈活、方便、高效的特性，逐漸在高速數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)據(jù)處理、高速數(shù)據(jù)傳輸以及多機(jī)處理系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。IDT7202是一種高速、低功耗、雙端口存儲(chǔ)器，輸入、輸出有9位數(shù)據(jù)，芯片容量為lK×9 b，輸入／輸出端口由單獨(dú)的時(shí)鐘和使能信號(hào)控制，具有“空”、“滿”、“半滿”和“幾乎空、幾乎滿”標(biāo)志。IDT7202的9位輸入／輸出端口由單獨(dú)的時(shí)鐘和使能信號(hào)控制。輸入端口由寫(xiě)使能信號(hào)(W)控制，當(dāng)寫(xiě)使能W為低時(shí)，數(shù)據(jù)被連續(xù)寫(xiě)入FIFO存儲(chǔ)器中。同樣，輸出端口由讀使能信號(hào)(R)控制，而且有一個(gè)輸出使能引腳(OE)。IDT7202還有一個(gè)復(fù)位端(RS)，當(dāng)RS為低時(shí)，IDT7202的各個(gè)標(biāo)志位全部回到原始狀態(tài)。

3 FIFO與CPLD的接口設(shè)計(jì)
    ATERA公司的可編程邏輯器件支持多種I／O電平標(biāo)準(zhǔn)，包括3．3 V，2．5 V和1．8 v的LVTTL和LVCMOS電平。由于FIFO必須是5 V供電，所以CPLD將數(shù)據(jù)從FIFo讀人內(nèi)部存儲(chǔ)器時(shí)，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)選用了SN74LVCl6245A具有三態(tài)輸出的16位總線收發(fā)器，它支持8／16位數(shù)據(jù)的雙向傳輸。
    在FIFO與CPLD數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)中，CPLD主要輸出控制時(shí)序到IDT7202的復(fù)位、寫(xiě)和讀端口，實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到FIFO的存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)從FIFO讀入CPLD的內(nèi)部存儲(chǔ)器。一旦CPLD檢測(cè)到兩個(gè)AD976的“BUSY”信號(hào)都為高電平，且延時(shí)滿足，CPLD就使FIFO的寫(xiě)信號(hào)“W”輸出為低電平，允許向FIFlO中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。同時(shí)檢測(cè)FIFO的滿標(biāo)志信號(hào)FF。若該信號(hào)為低，則說(shuō)明FIFO已經(jīng)寫(xiě)滿，此時(shí)，CPLD輸出讀時(shí)序給該FIFO，向FIFO中讀數(shù)據(jù)，同時(shí)檢測(cè)FIFO的空標(biāo)志信號(hào)EF，若該信號(hào)為低，則說(shuō)明FIFO中數(shù)據(jù)已經(jīng)讀空，不允許讀數(shù)據(jù)，除非再有數(shù)據(jù)寫(xiě)入后。本系統(tǒng)中采用兩片IDT7202，它們的復(fù)位、寫(xiě)和讀端口分別聯(lián)在一起，數(shù)據(jù)同時(shí)讀寫(xiě)。數(shù)據(jù)DO～D8從第一片輸出，D9～D15從第二片輸出，D16，D17空的兩位數(shù)據(jù)接地。DO～D1為64路開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)，64路開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)由8片8D鎖存器74LS373鎖存直接送至CPLD，開(kāi)關(guān)量采樣時(shí)序、路數(shù)判別由CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    IDT7202的異步讀寫(xiě)操作時(shí)序如圖2所示，各參數(shù)說(shuō)明見(jiàn)表1。

4 FIFO與AD976接口設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)最多可接32路模擬量，需使用兩片AD976芯片，轉(zhuǎn)換后的16位數(shù)據(jù)分別送入兩個(gè)FIFO中。當(dāng)兩片AD976中的任意一片中的“BUSY”信號(hào)為低電平時(shí)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，只有當(dāng)“BUSY”為高時(shí)，數(shù)據(jù)才有可能寫(xiě)入至FIFO中，但數(shù)據(jù)是否寫(xiě)入到FIFO中，由FIFO的寫(xiě)使能信號(hào)來(lái)決定，當(dāng)CPLD發(fā)出寫(xiě)使能信號(hào)有效時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)才能存儲(chǔ)到FIFO中。A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出和轉(zhuǎn)換時(shí)鐘有一定的相位差，在CPLD內(nèi)部可通過(guò)延時(shí)或時(shí)鐘管理器來(lái)滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間，保證數(shù)據(jù)不失碼地傳輸?shù)紽IFO中。FIFO與AD976均采用5 V電源，故數(shù)據(jù)線直接相連即可，為了減小外界對(duì)數(shù)據(jù)線的干擾，在數(shù)據(jù)線之間串接一個(gè)100～200 Ω的小電阻。

5 結(jié) 語(yǔ)
    系統(tǒng)地介紹了一種多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中FIFO的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)可以采集32路模擬量，64路開(kāi)關(guān)量。系統(tǒng)具有抗干擾強(qiáng)、可靠性高、失碼率低等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)可用于采集量比較多的設(shè)備中，已在電力故障監(jiān)測(cè)裝置中得到廣泛的應(yīng)用。