基于CPLD的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

摘要：隨著數(shù)字化生活的到來，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在日常生活中的應用越來越顯著。模擬信號和數(shù)字信號之間的轉換已成為計算機控制系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以可編程邏輯器件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有時鐘頻率高，內部延時小，速度快，效率高，組成形式靈活等特點。
關鍵詞：CPLD；數(shù)據(jù)采集；VHDL；狀態(tài)機

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有極強的通用性，可廣泛應用于軍事、工業(yè)生產、科學研究和日常生活中。隨著計算機的普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在日常生活中的應用越來越顯著。由于基于DSP芯片的高速電子器件成本和制作工藝，以及高密集的技術含量，使得高速數(shù)據(jù)采集卡的價格昂貴。而復雜可編程邏輯器件(CPLD)能夠將大量的邏輯功能集成于一個單片集成電路中，以其時鐘頻率高，內部延時小，速度快，效率高，組成形式靈活等特點在高速數(shù)據(jù)采集方面有著單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢。

1 設計思路
    該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)輸入單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)輸出單元三大部分組成。其中數(shù)據(jù)輸入單元是由狀態(tài)機控制ADC0809實現(xiàn)。輸入信號可以是各種形式，它可以是語音信號、調制后的電話信號、編碼的數(shù)字信號、壓縮的圖像信號，也可以是各種傳感器輸出的信號。A／D能將模擬信號變換成數(shù)字信號，但必須滿足香農采樣定理，也就是為了保證不丟失信息的所有信息，采樣頻率必須高于輸入信號最高頻率的2倍。A／D變換后得到的數(shù)字信號輸人到CPLD芯片；再由CPLD芯片對該數(shù)字信號進行各種數(shù)字信號算法的處理。經過處理后的數(shù)字信號再經過數(shù)／模轉換器ADC0832將其輸出。

2 系統(tǒng)各部分的功能及實現(xiàn)
2．1 數(shù)據(jù)輸入電路
    數(shù)據(jù)輸入電路主要是由狀態(tài)機控制ADC0809實現(xiàn)。其中START為轉換控制信號，高電平有效；ALE是3位通道選擇地址(ADDC，ADDB，ADDA)信號的鎖存信號，高電平有效；EOC是轉換情況狀態(tài)信號(類似于AD574的STATUS)，當啟動轉換約100 μs后，EOC產生一個高電平，以示轉換結束，轉換期間一直處于低電平。一旦START有效后，狀態(tài)信號EOC即變?yōu)榈碗娖剑硎具M入轉化狀態(tài)。轉換結束后，EOC將變?yōu)楦唠娖?。OE為數(shù)據(jù)輸出允許信號，當OE為高電平時，則控制打開三態(tài)緩沖器，把轉換好的8位數(shù)據(jù)結果輸至數(shù)據(jù)總線。其工作時序如圖1所示。

    對ADC0809的工作過程分析可知：其工作處于6個狀態(tài)。在狀態(tài)St1中，ALE高電平將ADC0809的8路采樣輸入通道地址存入ADC0809地址鎖存器中。在狀態(tài)St3中需要對ADC0809工作狀態(tài)信號EOC進行循環(huán)檢測，如果為低電平，表示轉換沒有結束，仍需要停留在St3狀態(tài)中等待，直到EOC變成高電平后才說明轉換結束，在下一時鐘脈沖到來時轉向狀態(tài)St4。在狀態(tài)St4，由狀態(tài)機向ADC0809發(fā)出轉換好的8位數(shù)據(jù)輸出命令，這一狀態(tài)周期同時可作為數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定周期，以便能在下一狀態(tài)中向鎖存器中鎖入可靠的數(shù)據(jù)。在狀態(tài)St5，由狀態(tài)機向CPLD中的鎖存信號(LO-CK的上升沿)，將ADC-0809輸出的數(shù)據(jù)進行鎖存。其采樣控制狀態(tài)圖如圖2所示。

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2．2 數(shù)據(jù)處理電路
    數(shù)據(jù)處理電路通過VHDL程序實現(xiàn)，該電路的主要功能是對外部輸入信號進行循環(huán)檢測，當k1為1時，該器件處于數(shù)據(jù)采集和處理模式。這里的數(shù)據(jù)處理就是對其輸入的數(shù)字信號進行擴大2倍或縮小到原來的1／2，其中fun用來選擇輸入方式。在采集數(shù)據(jù)的時候還可以選擇所采數(shù)據(jù)是ADC0809中的哪一路，并完成在七段數(shù)碼器上顯示。其原理如圖3所示。

2．3 數(shù)據(jù)輸出電路
    數(shù)據(jù)輸出電路由數(shù)／模轉換器DAC0832實現(xiàn)，ADC0832為8位分辨率A／D轉換芯片，其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5 V之間。D／A轉換結果采用電流形式輸出。應得到相應的模擬電壓信號，所以通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)。其連線如圖4所示。

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3 電路的VHDL描述
    數(shù)據(jù)采集控制電路、數(shù)據(jù)處理電路均是使用硬件描述語言VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hatdware Description Langu-age)設計而成。例如：數(shù)據(jù)采集控制模塊設計如下：
    
    VHDL語言具有多層次的電路設計描述功能，既可描述系統(tǒng)級電路，也可以描述門級電路；描述方式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結構描述，也可以采用三者的混合描述方式。VHDL語言的強大描述能力還體現(xiàn)在它具有豐富的數(shù)據(jù)類型，采用VHDL語言描述硬件電路時，設計人員并不需要首先考慮選擇進行設計的器件。這樣做的好處是可以使設計人員集中精力進行電路設計的優(yōu)化，而不需要考慮其他的問題。當硬件電路的設計描述完成以后，VHDL語言允許采用多種不同的器件結構來實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)的波形仿真
    在數(shù)據(jù)處理電路中，當gate=‘1’，整個器件處于數(shù)據(jù)采集及處理模式，選擇不同的工作方式，即fun值，可實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理，當do為O時，其波形仿真如圖5所示。從仿真波形中可以看出輸入數(shù)據(jù)等于輸出數(shù)據(jù)，在通過輸出運放，使輸出值增大2倍，從而使輸出數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)的2倍。

    在數(shù)據(jù)處理電路中，當gate=‘0’，整個器件處于循環(huán)檢測的模式，當輸入數(shù)據(jù)超出預設值時就進行報警，即alm=‘1’，當無輸入值大于預設值時，就進行循環(huán)檢測。其波形仿真如圖6所示。

5 結語
    設計了基于CPLD的多路異步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)中使用狀態(tài)機控制數(shù)據(jù)的采集，使用ADC0832進行數(shù)／模轉換。同時利用CPLD強大的數(shù)字處理功能和高密集成的特點，降低了硬件的成本，簡化了電路設計，并配合軟件增加了系統(tǒng)的靈活性和可擴充性，具有很好的經濟效益和社會效益。