串行AD與FPGA在微型數(shù)據(jù)記錄儀中的應(yīng)用

0 引言

在現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，A／D轉(zhuǎn)換器是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)的中介，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，一般由單片機(jī)或其他微控制器對(duì)高精度A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，通常采用軟件模擬A／D轉(zhuǎn)換器時(shí)序的方法，增加了CPU的負(fù)擔(dān)，降低了CPU的工作效率，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA(Field Programmable GateArray)的高集成度和高速特性，使之相對(duì)于單片機(jī)和微控制器更適合用于高速A／D器件的采樣控制。另外，在電磁干擾較大的環(huán)境中，單片機(jī)會(huì)出現(xiàn)程序跑飛的問(wèn)題，在利用看門狗復(fù)位的過(guò)程中，對(duì)采集的數(shù)據(jù)流而言，會(huì)存在數(shù)據(jù)的丟失問(wèn)題。相對(duì)的，觸發(fā)沿或電平控制的FPGA，通過(guò)設(shè)計(jì)可靠的驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)更為可靠。
本文是以一個(gè)3通道低頻小型數(shù)據(jù)記錄儀為研究背景，設(shè)計(jì)了以Actel公司FPGA為控制器的系統(tǒng)，對(duì)串行輸出A／D轉(zhuǎn)換器ADS8341進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)集成度和穩(wěn)定性。

1 ADS8341功能介紹
ADS8341是Burr Brown公司推出的一款低功耗，高性能的4通道，16位A／D轉(zhuǎn)換器，其串行接口降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本，SSOP-16的小體積封裝適合微型設(shè)備使用。
1．1 ADS8341的功能
CH0～CH3：4個(gè)通道為模擬輸入端，可以設(shè)置為單通道輸入方式，也可以構(gòu)成CH0-CH1，CH2-CH3，兩組差分輸入。
：引腳低電平有效，A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入低功耗模式。
Vref：參考電壓輸入端。
DCLK：系統(tǒng)的外部時(shí)鐘輸入端，最高輸入為2．4 MHz，此時(shí)芯片A／D轉(zhuǎn)換速度達(dá)到最大值，為100 ksa／s。
：A／D轉(zhuǎn)換器的片選端，低電平有效，高電平時(shí)其他引腳呈高阻態(tài)。
DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端，片選信號(hào)有效時(shí)，在DCLK的上升沿，串行數(shù)據(jù)按位輸入A／D。
DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端，片選信號(hào)有效時(shí)，在DCLK的下降沿，將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)按位輸出。
BUSY：片選有效時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器輸出一個(gè)時(shí)鐘周期高電平信號(hào)。
Vcc和GND引腳分別為電源和數(shù)字接地端。
1．2 ADS8341的控制宇及轉(zhuǎn)換時(shí)序
ADS8341的控制字如表1所示：

ADS8341的控制字為8位，S為起始標(biāo)志位，A2，A1，A0控制通道選擇，可以提供單通道或差分輸入方式不同通道選擇。*****高電平為單通道輸入方式，PD1，PD0為電源控制模式位，若為“11”，電源始終處于開啟模式。
ADS8341轉(zhuǎn)換的基本時(shí)序如圖1所示。

由圖1可以看出，ADS8341完成一次轉(zhuǎn)換需要24個(gè)DCLK時(shí)鐘，其中在前8個(gè)時(shí)鐘的上升沿，DIN控制字輸入，控制字輸入完成后，在DCLK的上升沿時(shí)刻，BUSY信號(hào)輸出一個(gè)高電平，在這個(gè)時(shí)鐘的下降沿，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)按位輸出。經(jīng)過(guò)一次完整的轉(zhuǎn)換后，在第25個(gè)時(shí)鐘上升沿，DIN可以再次輸入控制字高位，保證了當(dāng)DCLK外部時(shí)鐘取得最高頻率2．4 MHz時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器的頻率達(dá)到最高100 ksa／s。

2 基于FPGA的ADS8341控制器設(shè)計(jì)
本記錄儀系統(tǒng)記錄采集信號(hào)的頻率范圍500Hz以下，在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)被測(cè)信號(hào)采用過(guò)采樣方式，采樣頻率為被采集信號(hào)頻率的5～10倍。系統(tǒng)采用A／D轉(zhuǎn)換器3通道快速循環(huán)采樣，近似實(shí)現(xiàn)了通道同步采樣，是一種準(zhǔn)同步采樣的方式。經(jīng)過(guò)72個(gè)DCLK周期，實(shí)現(xiàn)了CH0～CH2通道的順序切換，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換器以最大采樣頻率100 ksa／s工作時(shí)，記錄儀系統(tǒng)采樣的頻率相當(dāng)于單通道頻率的1／3，通道1與通道3之間同步誤差最大為48clk，如圖2所示，最小誤差時(shí)間約為(此時(shí)采樣頻率最快)，滿足系統(tǒng)對(duì)較低頻率信號(hào)采集的要求。

系統(tǒng)采用了基于FLASH架構(gòu)的Actel公司ProASIC3系列A3P100，使用Libero集成開發(fā)環(huán)境，F(xiàn)PGA的A／D控制模塊主要包含以下功能：
●時(shí)鐘控制器
記錄儀系統(tǒng)FPGA的外部時(shí)鐘頻率為48 MPa，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘20分頻得到時(shí)鐘DCLK即可提供A／D轉(zhuǎn)換器的最大工作時(shí)鐘。另外通過(guò)邏輯控制，時(shí)鐘控制器提供幾個(gè)低于2．4 MHz的時(shí)鐘頻率，系統(tǒng)可以選擇更低的采樣頻率。
●不等占空比時(shí)鐘
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)A／D控制模塊中引入clk_div時(shí)鐘信號(hào)，占空比為2：3，做為din的控制電平，當(dāng)clk_div信號(hào)為低電平時(shí)，din輸出數(shù)據(jù)，clk _div信號(hào)為高電平，din為低電平。
clk_div撐(．duty_factor(duty_factorl)，counter_top(counterl))．div_clkl(．reset(clk1_reset)，．clk_in(clk_in1)，clk_out(clk_out1))；／／任意占空比分頻時(shí)鐘模塊調(diào)用
●控制字狀態(tài)機(jī)
記錄儀上電以后的工作狀態(tài)為3個(gè)通道循環(huán)采樣，控制字狀態(tài)發(fā)生器循環(huán)生成chO=“1001_1111”，ch1=“101_1111”，ch2=“1010_111 1”，并將控制字轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)從din引腳輸出，實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換器通道切換。

●控制字并行轉(zhuǎn)串行模塊
控制字chO，ch1，ch2需要轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)，通過(guò)din輸入至AD，控制通道選擇，循環(huán)輸入控制字則循環(huán)選擇3通道。將狀態(tài)控制字ch0、ch1、ch2傳輸至寄存器，在DCLK時(shí)鐘下降沿，提取第7位(高位)，此時(shí)數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，然后寄存器向左位移。在DCLK時(shí)鐘上升沿傳輸至AD，實(shí)現(xiàn)控制目的。
●信號(hào)采集模塊
A／D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)串行輸入FPGA后，轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，傳輸至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線。根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換器采樣的基本時(shí)序可知，在dout引腳串行輸出數(shù)據(jù)時(shí)，din引腳應(yīng)保持低電平，為了3個(gè)采樣通道近似同步數(shù)據(jù)采集，在經(jīng)過(guò)24個(gè)DCLK時(shí)鐘周期，對(duì)一個(gè)通道數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換輸出完成后，要在DCLK的第25個(gè)時(shí)鐘的上升沿，進(jìn)入第二個(gè)通道的采集和轉(zhuǎn)換。最終實(shí)現(xiàn)記錄儀在72個(gè)DCLK時(shí)鐘周期的狀態(tài)循環(huán)時(shí)序是A／D模塊控制的關(guān)鍵。

3 計(jì)算機(jī)仿真分析與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)FPGA使用Actel公司基于FLASH結(jié)構(gòu)單元的芯片，進(jìn)一步的降低了系統(tǒng)的功耗，縮小了系統(tǒng)的體積，Actel FPGA的集成開發(fā)環(huán)境Libero集成了仿真工具modelsim。以AD最高采樣頻率為例試驗(yàn)，仿真時(shí)序波形如圖4。

A／D控制模塊中，在“clk_div”高電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)寄存器“shuru”至寄存器“A”的數(shù)據(jù)傳遞，在“clk_div”低電平實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)“din"輸出，圖4中顯示了“din"輸出引腳3個(gè)控制字狀態(tài)的變化。
示波器顯示din引腳控制字串行輸出三組控制字的循環(huán)變化，如圖5。

4 結(jié)論
系統(tǒng)運(yùn)用FPGA電平控制多通道A／D轉(zhuǎn)換器不同通道的選通，相比較單片機(jī)而言，更為穩(wěn)定可靠，采集數(shù)據(jù)流完整，使用基于FLASH架構(gòu)的Actel公司FPGA進(jìn)一步降低了微型數(shù)據(jù)記錄儀系統(tǒng)的功耗，同時(shí)提高了系統(tǒng)在電磁干擾較強(qiáng)環(huán)境的穩(wěn)定性。