基于CPLD的數(shù)據(jù)采集與顯示接口電路仿真設(shè)計(jì)

摘要：常規(guī)數(shù)據(jù)采集與顯示方法是應(yīng)用CPU或DSP通過(guò)軟件控制數(shù)據(jù)采集的模／數(shù)轉(zhuǎn)換，這樣將會(huì)頻繁中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)算速度，數(shù)據(jù)采集的速度也將受到限制。通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)由硬件控制模／數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)顯示，最大限度地提高系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理能力。這里運(yùn)用VHDL硬件編程語(yǔ)言，通過(guò)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)程序，完成A／D轉(zhuǎn)換芯片與可編程邏輯芯片的接口。將A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果以BCD碼形式通過(guò)CPLD芯片進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)觀測(cè)轉(zhuǎn)換進(jìn)程，給出了BCD碼轉(zhuǎn)換流程圖，完成相應(yīng)電路設(shè)計(jì)，通過(guò)QuartusII軟件進(jìn)行仿真，并在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上成功實(shí)現(xiàn)功能驗(yàn)證，提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度。
關(guān)鍵詞：可編程邏輯器件；模數(shù)轉(zhuǎn)換；二-十進(jìn)制碼顯示；接口電路

0 引 言
    CPLD稱為復(fù)雜可編程邏輯設(shè)計(jì)芯片，它是大規(guī)模可編程器件，具有高集成度、高可靠性、高速度的特點(diǎn)。CPLD是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載體。硬件描述語(yǔ)言是EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要表達(dá)手段，VHDL語(yǔ)言是常用的硬件描述語(yǔ)言之一；軟件開(kāi)發(fā)工具是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化的自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具，常用開(kāi)發(fā)工具有QuartusII，Ispexpert，F(xiàn)oundation等。CPLD以高速、高可靠性、串并行工作方式等特點(diǎn)在電子設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。它打破了軟硬件之間的界限，加速了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。同樣單片機(jī)具有性價(jià)比高、功能靈活、良好的數(shù)據(jù)處理能力等特點(diǎn)。CPLD芯片與單片機(jī)結(jié)合在高性能儀器儀表中應(yīng)用廣泛。

1 電路的仿真設(shè)計(jì)
1．1 硬件電路功能
    用一片MCS-51芯片、一片CPLD／FPGA芯片、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809和數(shù)／模轉(zhuǎn)換器DAC0832構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并用CPLD／FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、D／A轉(zhuǎn)換輸出、有關(guān)數(shù)據(jù)顯示的控制，單片機(jī)完成對(duì)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)運(yùn)算。電路如圖1所示。

    系統(tǒng)功能如下：系統(tǒng)按一定速率采集輸入電壓Ui，經(jīng)AD0809轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量data；輸入數(shù)據(jù)與通過(guò)CPLD／FPGA采樣后輸入單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，最后通過(guò)CPLD／FPGA送至DAC0832轉(zhuǎn)換為△U；數(shù)據(jù)采集和處理均在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制器的管理下有序進(jìn)行。工作速率由時(shí)鐘信號(hào)CLK的速率決定。
1．2 單片機(jī)與CPLD／FPGA接口設(shè)計(jì)
    單片機(jī)采用以總線方式與可編程芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)與控制信息通信，此方式有許多優(yōu)點(diǎn)：
    (1)速度快。其通信工作時(shí)序是純硬件行為，對(duì)于MCS-51單片機(jī)只需一條單字節(jié)指令就能完成所需的讀／寫時(shí)序如MOV@DPTR A和MOVA@DPTR。
    (2)節(jié)省CPLD芯片的I／O口線。如果將圖中的譯碼器設(shè)置足夠的譯碼輸出以及安排足夠的鎖存器就能僅通過(guò)19根I／O口線在FPGA／CPLD與單片機(jī)之間進(jìn)行各種類型的數(shù)據(jù)與控制信息交換。
    (3)相對(duì)于非總線方式單片機(jī)的編程簡(jiǎn)捷控制可靠。
    (4)在FPGA／CPLD中通過(guò)邏輯切換單片機(jī)易于與SRAM或ROM接口。這種方式首先由FPGA／CPLD與接口的高速A／D等器件進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣并將數(shù)據(jù)暫存于SRAM中。采樣結(jié)束后通過(guò)切換使單片機(jī)與SRAM以總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以便發(fā)揮單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。
    系統(tǒng)工作過(guò)程如下：ALE為地址鎖存使能信號(hào)，當(dāng)下降沿來(lái)時(shí)，將P0口將低8位地址送入可編程芯片CPLD／FPGA中的地址鎖存器，然后在P2口和P0口形成的16位地址及WR信號(hào)共同作用下，將P0口的數(shù)據(jù)送入可編程芯片。單片機(jī)通過(guò)兩條指令MOVXDPTR@ ADDR和MOVX @DPTR A將數(shù)據(jù)寫入芯片。在P2口和P0口形成的16位地址及RD信號(hào)共同作用下，將AD0809轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)data送入單片機(jī)的P0口。單片機(jī)通過(guò)兩條指令 MOVX DPTR @ADDR和MOVXA@ DPTR將數(shù)據(jù)讀入P0口。設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換器件片選信號(hào)ad_e和DA轉(zhuǎn)換器件片選信號(hào)da_e，設(shè)置數(shù)據(jù)輸入／輸出口data[7．．0]。單片機(jī)與FPGA通信接口程序(名為MCS51)通過(guò)編譯后，生成的邏輯符號(hào)如圖2所示。

    CPLD使用EPM7128時(shí)鐘為16 MHz有源晶振，首先使用CLK對(duì)復(fù)位信號(hào)采樣，8051的復(fù)位信號(hào)要求是高電平維持2個(gè)機(jī)器周期，2個(gè)機(jī)器周期就是2×12=24個(gè)振蕩周期，對(duì)復(fù)位信號(hào)連續(xù)采樣10次，若是一直為高電平，就產(chǎn)生片內(nèi)復(fù)位使能信號(hào)。其他片內(nèi)寄存器以這個(gè)復(fù)位信號(hào)做同步復(fù)位，對(duì)WR．RD，ALE都做了采樣，避免毛刺干擾。
1．3 AD0809與CPLD／FPGA狀態(tài)機(jī)接口設(shè)計(jì)
1．3．1 AD0809狀態(tài)機(jī)功能設(shè)計(jì)
    狀態(tài)機(jī)的最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)一般由兩個(gè)進(jìn)程構(gòu)成，即主控時(shí)序進(jìn)程和主控組合進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程描述時(shí)序邏輯輸出，另一個(gè)進(jìn)程描述組合邏輯包括進(jìn)程問(wèn)狀態(tài)值的傳遞邏輯以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換值的輸出。將AD0809與CPLD／FPGA的接口設(shè)計(jì)系統(tǒng)劃分為兩部分，即數(shù)據(jù)單元和控制單元。數(shù)據(jù)單元包括保存運(yùn)算數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果的數(shù)據(jù)寄存器，也包括完成數(shù)據(jù)運(yùn)算的組合邏輯電路。控制單元用來(lái)產(chǎn)生信號(hào)序列，以決定何時(shí)進(jìn)行何種數(shù)據(jù)運(yùn)算，控制單元要從數(shù)據(jù)單元得到條件信號(hào)，以決定繼續(xù)進(jìn)行那些數(shù)據(jù)運(yùn)算。數(shù)據(jù)單元要產(chǎn)生輸出信號(hào)、數(shù)據(jù)運(yùn)算狀態(tài)等有用信號(hào)。數(shù)據(jù)單元和控制單元中，有兩個(gè)非常重要的信號(hào)，即復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。復(fù)位信號(hào)保證了系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定性，時(shí)鐘信號(hào)則是時(shí)序系統(tǒng)工作的必要條件。狀態(tài)機(jī)通常在復(fù)位信號(hào)到來(lái)的時(shí)候恢復(fù)到初始狀態(tài)，每個(gè)時(shí)鐘到來(lái)的時(shí)候內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化。從AD0809的初始狀態(tài)開(kāi)始，也就是狀態(tài)機(jī)復(fù)位以后開(kāi)始的狀態(tài)。在建立每個(gè)狀態(tài)時(shí)都寫出關(guān)于這個(gè)狀態(tài)的文字功能描述，AD0809狀態(tài)機(jī)功能描述與相應(yīng)引腳的取值如下：
 
1. 3．2 ADC0809狀態(tài)機(jī)程序設(shè)計(jì)
    ADC0809為單極性輸入，8位轉(zhuǎn)換精度逐次逼進(jìn)式A／D轉(zhuǎn)換器。其采樣速度為每次轉(zhuǎn)換約100μs。在轉(zhuǎn)換開(kāi)始前由地址鎖存允許信號(hào)ALE將3位地址鎖入鎖存器中以確定轉(zhuǎn)換信號(hào)通道。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)，由低電平轉(zhuǎn)為高電平時(shí)指示轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)可讀人轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)。EOC在低電平時(shí)指示正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。START為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，上升沿啟動(dòng)。OE為數(shù)據(jù)輸出允許高電平有效。CLK為ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘輸入端口500 kHz左右。為了達(dá)到A／D器件的最高轉(zhuǎn)換速度，A／D轉(zhuǎn)換控制器必須包含監(jiān)測(cè)EOC信號(hào)的邏輯，一旦EOC從低電平變?yōu)楦唠娖郊纯蓪E置為高電平，然后傳送或顯示已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)[DO．．D7]。狀態(tài)機(jī)由三個(gè)進(jìn)程組成ADC，AD_STATE和DATA_LOCK。ADC是此狀態(tài)機(jī)的主控組合邏輯進(jìn)程，確定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換方式和反饋控制信號(hào)的輸出工作過(guò)程中首先監(jiān)測(cè)系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)RST，當(dāng)其為高電平時(shí)使此進(jìn)程復(fù)位至初始態(tài)ST0。啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換信號(hào)START在狀態(tài)ST3搜索轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(hào)EOC由0變1時(shí)即在狀態(tài)ST4開(kāi)啟輸出。使能信號(hào)OE在下一狀態(tài)使LOCK產(chǎn)生一個(gè)上跳沿從而在此時(shí)啟動(dòng)進(jìn)程DATA_LOCK將由0809轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)鎖進(jìn)鎖存器ADC_DATA。根據(jù)時(shí)序電路圖通過(guò)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)程序完成與CPLD／FPGA芯片的連接。圖3為狀態(tài)機(jī)程序仿真結(jié)果。

1．4 BCD碼轉(zhuǎn)換與顯示電路設(shè)計(jì)
    當(dāng)ADC0809的基準(zhǔn)電壓(Vref)為5．12V時(shí)，最小電壓準(zhǔn)位是5．12／28=O．2V。分析模擬輸入電壓與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，當(dāng)ADC0809的D[7．．0]收到的數(shù)據(jù)信號(hào)為10000110(即86H)時(shí)，則高4位1000為2．56V，而低4位0110為O．12V，所以最后的電壓輸出結(jié)果是2．68V。為了方便后續(xù)的電壓數(shù)據(jù)顯示，在此將輸出電壓表示成12位的BCD碼形式。將高4位數(shù)據(jù)D(7．．4)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的高12位BCD碼H(11．．0)；將低4位數(shù)據(jù)D(3．．0)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的低12位BCD碼L(11．．O)。在程序中首先用VHDL語(yǔ)言描述一個(gè)新的進(jìn)程Process(regl)，然后采用case…when …語(yǔ)句，生成并行結(jié)構(gòu)的電路。
    將生成的高12位BCD碼與低12位的BCD碼相加，得到12位的BCD碼，該結(jié)果即為所求的BCD碼結(jié)果。如上述的2．56V的BCD碼是0010 0101 0110，O．12V的BCD碼是0000 0001 00lO。所以相加的結(jié)果是0010 0110 1000，即為2．68V。因此在電路中必須設(shè)計(jì)一個(gè)12位的BCD碼加法程序，實(shí)現(xiàn)由8位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為12位BCD碼硬件電路。在程序設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的是BCD碼相加時(shí)，由最低4位加起，且每4位相加的結(jié)果超過(guò)1001時(shí)，應(yīng)加0110調(diào)整。該段程序的描述是通過(guò)一個(gè)進(jìn)程Process(HB，LB，CEN)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中HB表示生成的高12位BCD碼，LB表示生成的低12位BCD碼．CEN表示系統(tǒng)提供的時(shí)鐘信號(hào)。在時(shí)鐘上升沿時(shí)刻進(jìn)行BCD碼相加，并判斷結(jié)果是否超過(guò)1001，判斷程序采用if…then…語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)條件判斷電路。按照?qǐng)D4完成BCD碼程序轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。將以上兩段程序進(jìn)行組合，最終獲得由VHDL語(yǔ)言描述的BCD碼轉(zhuǎn)換程序。

1．5 A／D轉(zhuǎn)換與BCD碼合成系統(tǒng)電路
    將A／D轉(zhuǎn)換電路與BCD碼轉(zhuǎn)換電路組成統(tǒng)一系統(tǒng)，通過(guò)硬件編程語(yǔ)言VHDL中的進(jìn)程語(yǔ)句將編制成功的A／D轉(zhuǎn)換電路描述語(yǔ)句和BCD碼轉(zhuǎn)換電路描述語(yǔ)句組合成一個(gè)整體程序，通過(guò)QuartusⅡ軟件生成系統(tǒng)圖，如圖5所示。

    A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果由3位十進(jìn)制數(shù)表示，每位十進(jìn)制數(shù)由4位BCD碼表示，總共有12位BCD碼輸出。將電路輸出BCDOUT(11．．0)分成BCDOUT(11．．8)，BCDOUT(7．．4)和BCDOUT(3．．0)三部分，通過(guò)三個(gè)進(jìn)程Process()分別用VHDL語(yǔ)言編程描述LED顯示驅(qū)動(dòng)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行波形仿真，得到仿真波形如圖6所示，最后在GW48-CK實(shí)訓(xùn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)完成功能驗(yàn)證。

2 結(jié) 語(yǔ)
    將CPLD和微機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，在智能儀表設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)使系統(tǒng)易于升級(jí)和擴(kuò)展。因?yàn)椴捎昧?strong>CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)，極大提高了系統(tǒng)I／O口利用率，縮小了印刷電路板面積，提高了系統(tǒng)集成度，在多輸入／多輸出的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)領(lǐng)域有十分廣闊應(yīng)用前景。