一種基于CPLD的數(shù)據(jù)采集控制板的設(shè)計(jì)

    摘要：針對(duì)多種采集信號(hào)類型，設(shè)計(jì)了一種采用CPLD實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集控制、信號(hào)處理、通訊及輸出控制等功能的復(fù)合數(shù)據(jù)采集控制板，并分析了其相關(guān)應(yīng)用性能。

    關(guān)鍵詞：CLPD EPP接口 編碼器 數(shù)據(jù)采集

在需要采集多路模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)、頻率（計(jì)數(shù)）信號(hào)以及編碼器信號(hào)等的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，利用通用板卡構(gòu)成計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是可行的，但對(duì)于產(chǎn)品的批量應(yīng)用，其成本與綜合性能不能令人滿意。技術(shù)成熟的CPLD芯片的應(yīng)用，可以很好地將邏輯控制、數(shù)據(jù)信號(hào)處理等功能集于一身，使以往需要利用多塊信號(hào)板卡才能完成的任務(wù)整合于同一采集控制器中，從而有效地提高控制系統(tǒng)的可靠性，降低測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本。

本文設(shè)計(jì)一種基于CPLD的數(shù)據(jù)采集控制板。它能實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與控制、信號(hào)處理、通訊及輸出控制等功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本專用數(shù)據(jù)采集控制板利用CPLD作為主控制器，統(tǒng)一協(xié)調(diào)通道切換與數(shù)字信號(hào)處理、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與接口傳輸邏輯控制。該數(shù)據(jù)采集控制板共有四種類型的信號(hào)輸入和一種開關(guān)信號(hào)量輸出。圖1給出其基本硬件模塊組成。

    利用CPLD的資源和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是本設(shè)計(jì)的核心。為提高編碼器輸入信號(hào)的分辨細(xì)長(zhǎng)，配套設(shè)計(jì)一個(gè)四倍頻電路，并在通道后端設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖靜態(tài)計(jì)數(shù)電路，使輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為8bit信號(hào)掛接到采集板總線上。八路模擬輸入信號(hào)主要依靠CPLD實(shí)現(xiàn)通道切換和A/D采集，采樣數(shù)據(jù)也以8bit信號(hào)并行進(jìn)入總線?？紤]到提高計(jì)數(shù)精度的要求，對(duì)兩路頻率輸入信號(hào)設(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)電路，使計(jì)數(shù)值通過總線讀出。I/O切換控制、EPP接口電路等都按一定的邏輯要求采用同一CPLD元件來實(shí)現(xiàn)。如此可使硬件電路十分簡(jiǎn)單，并有利于上位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)據(jù)接口

根據(jù)IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)并行口（SPP）、增強(qiáng)并行口（EPP）和擴(kuò)展并行口（ECP）三種模式中，EPP模式既具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，又具有較高的數(shù)據(jù)傳輸能力，且編程操作相對(duì)容易，最適合在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用。

    從硬件設(shè)計(jì)角度考慮，EPP接口的主要功能之一是將采集到的數(shù)據(jù)上傳給微型計(jì)算機(jī)或?qū)㈤_關(guān)控制命令下載到采集控制板（數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)8bit數(shù)據(jù)端口）；之二是實(shí)現(xiàn)硬件接口之間的信號(hào)通訊握手（控制狀態(tài)對(duì)應(yīng)其它I/O端口）。EPP協(xié)議定義了四種數(shù)據(jù)傳輸基本操作：數(shù)據(jù)讀、數(shù)據(jù)寫、地址讀、地址寫。工作時(shí)首先寫入I/O鎖存地址即模塊操作的I/O地址，然后進(jìn)行相應(yīng)的讀出或?qū)懭氩僮?。如果不需I/O地址變化，那么就不再進(jìn)行I/O地址鎖存操作。EPP模式下一共定義17根信號(hào)線，除8根雙向地址線和數(shù)據(jù)復(fù)用線外，還有輸出控制信號(hào)線WRITE、DSTROBE、ASTROBE、INIT，其中WRITE、DSTROBE和ASTROBE用于表示數(shù)據(jù)讀寫操作。WRITE為低時(shí)表示正在進(jìn)行操作，DSTROBE為低表示進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，而ASTROBE為低則表示進(jìn)行地址操作。EPP的INIT信號(hào)用來復(fù)位打印機(jī)，本設(shè)計(jì)用來預(yù)置光電編碼器的初始計(jì)數(shù)值。另外還有五根狀態(tài)信號(hào)線。WAIT信號(hào)由外設(shè)發(fā)出，高電平表示正在進(jìn)行讀寫操作，低電平表示操作完成。但本設(shè)計(jì)沒有利用該信號(hào)，因?yàn)榍懊嫒齻€(gè)讀寫信號(hào)已完全能滿足要求。MAX197數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC連接到并口的SELECT線上，主機(jī)查詢到SELECT線為低時(shí)，表示一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。其余三根狀態(tài)線空置作為備用。

圖4

    根據(jù)IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)對(duì)EPP模式的地址、數(shù)據(jù)讀寫操作的規(guī)定，可采用圖2的邏輯結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)地址寫、數(shù)據(jù)寫和數(shù)據(jù)讀。在圖2中，輸入信號(hào)中的STB表示寫信號(hào)，ASTB表示地址寫信號(hào)，DSTB表示數(shù)據(jù)寫信號(hào)；輸出信號(hào)中Add_WR表示地址寫信號(hào)、高電平有效，Add_WRN表示地址寫信號(hào)、低電平有效，Data_WR表示數(shù)據(jù)寫信號(hào)、高電平有效、Data_WRN表示數(shù)據(jù)寫信號(hào)、低電平有效；Data_RD表示數(shù)據(jù)讀信號(hào)。如此設(shè)計(jì)的目的是使該接口能方便地適應(yīng)各種邏輯器件的操作要求。圖3給出了采用MAXPLUS軟件對(duì)上述邏輯信號(hào)進(jìn)行仿真的操作時(shí)序波形。

EPP模式可在上位機(jī)BIOS中設(shè)置或通過寫ECR寄存器直接設(shè)置（并行適配器基地址為0X378H，I/O端口地址為77AH）。

圖5

3 編碼器信號(hào)處理

對(duì)于編碼器輸入信號(hào)，針對(duì)增量式光電編碼器的輸出具有A相、B相方波正交信號(hào)，而且二者相序取決于編碼器的正反轉(zhuǎn)方向，設(shè)計(jì)了一種四倍頻及判向電路，如圖4所示。

在圖4中，CLK信號(hào)來自獨(dú)立振蕩源，其頻率高于編碼器最大輸出頻率四倍以上，但也不宜過高，以免導(dǎo)致CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)中信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)等問題。INA和INB分別為編碼器輸入的A相信號(hào)和B相信號(hào)，CNT_UP和CNT_DN分別為輸出的正轉(zhuǎn)倍頻信號(hào)和反轉(zhuǎn)倍頻信號(hào)。為保證編碼器處于任何轉(zhuǎn)角位置都能可靠地讀出數(shù)據(jù)，編碼器倍頻信號(hào)最終以16bit靜態(tài)計(jì)數(shù)碼方式輸出，CNT_UP和CNT_DN分別作為后續(xù)靜態(tài)計(jì)數(shù)電路的“加”和“減”計(jì)數(shù)輸入信號(hào)端。在限定轉(zhuǎn)動(dòng)角度≤6×360°情況下，對(duì)于16bit計(jì)數(shù)碼，計(jì)數(shù)電路允許的最大計(jì)數(shù)值為65536，計(jì)數(shù)值可以按高低八位分兩次讀出。為提高編碼器工作可靠性，也可以考慮進(jìn)行格雷碼轉(zhuǎn)換。圖5給出的是圖4電路的信號(hào)仿真波形。

4 頻率測(cè)量

對(duì)于頻率輸入信號(hào)，采用等精度測(cè)頻方法測(cè)量頻率。這種方法在實(shí)際閘門時(shí)間為被測(cè)信號(hào)頻率整數(shù)倍的條件下，對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的±1個(gè)字誤差可以完全消除掉，并可使整個(gè)頻率區(qū)域保持恒定的測(cè)試精度。

    圖6給出了等精度測(cè)量原理圖，其測(cè)量原理為：首先給出閘門開啟信號(hào)（預(yù)置門控信號(hào)SWITCH的上升沿），此時(shí)計(jì)數(shù)器CNT1和CNT2并不開始計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)SIGIN的上升沿到來時(shí)，計(jì)數(shù)器才開始真正計(jì)數(shù)。經(jīng)過一段時(shí)間后，預(yù)置閘門關(guān)閉信號(hào)（門控信號(hào)SWITCH的下降沿）到來時(shí)，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)SIGIN的上升沿到來時(shí)才結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過程。此時(shí)可分別讀出計(jì)數(shù)器CNT1和CNT2的計(jì)數(shù)值OUT1和OUT2，用被測(cè)信號(hào)SIGIN的計(jì)數(shù)值OUT2除以標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)CLK的計(jì)數(shù)值OUT1，再乘以標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)CLK的頻率值就得到了被測(cè)信號(hào)SIGIN的頻率值。

使用時(shí)為提高測(cè)量精度，基準(zhǔn)信號(hào)CLK可以采用高精度的時(shí)鐘源，因?qū)r(shí)鐘源和被測(cè)信號(hào)同步計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)間長(zhǎng)度不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。圖7給出了等精度測(cè)頻法信號(hào)仿真波形圖。

圖7

5 A/D轉(zhuǎn)換器與I/O切換控制

對(duì)于模擬輸入信號(hào)，采用12bit的MAX197作為A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器。該控制字器件工作的基本過程是：首先由地址總線選通MAX197，然后通過數(shù)據(jù)總向MAX197內(nèi)部寄存器寫入模擬通道控制字。該控制字決定了所選的通道號(hào)、通道輸入電壓范圍、極性以及內(nèi)部或外部觸發(fā)采集方式等。例如，輸入電壓范圍為雙極性、內(nèi)部觸發(fā)采集方式、第一通道，則應(yīng)寫入16進(jìn)制數(shù)48H，而對(duì)第八通道則寫入4FH?？刂谱謱懭牒螅琈AX197立即啟動(dòng)通道轉(zhuǎn)換，經(jīng)過約10μs后轉(zhuǎn)換完畢。轉(zhuǎn)換結(jié)果放置在數(shù)據(jù)總線上，首先將其高低位切換腳HBEN置為低，此時(shí)數(shù)據(jù)總線先讀取結(jié)果的低八位，再置HBEN為高，則結(jié)果的高四位放在MAX197的D0～D3口上。同時(shí)置腳INT為低，通知控制器轉(zhuǎn)換完成。MAX197的轉(zhuǎn)換結(jié)果用補(bǔ)碼表示，最高位為符號(hào)位。

本系統(tǒng)中還具有八路開關(guān)量輸入輸出功能切換控制。這兩種功能分別則CPLD內(nèi)部的74244和74373實(shí)現(xiàn)。接口邏輯和如圖8所示。外部接口通過光耦隔離輸入輸出。開關(guān)量寫入的順序是先由地址總線選通74373，然后寫入相應(yīng)的命令字。數(shù)據(jù)量讀入與此類似。具體控制信號(hào)由EPP總線讀寫邏輯給出。

6 驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)

考慮到NT公司LabView環(huán)境圖形化編程簡(jiǎn)例、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)鏈接函數(shù)庫(kù)（DLL）與直接端口操作相結(jié)合實(shí)現(xiàn)采集板硬件驅(qū)動(dòng)。在程序編制過程中，先利用VC++生成DLL，然后在LabView中使用CLF節(jié)點(diǎn)調(diào)用DLL。對(duì)于直接端口操作，使用LabView中的“In Port”和“Out Port”節(jié)點(diǎn)，對(duì)端口實(shí)現(xiàn)操作。當(dāng)然，為使用方便起見，也可以將I/O切換控制、編碼器、A/D數(shù)據(jù)采集、計(jì)數(shù)器等硬件特有功能設(shè)計(jì)成專用模塊供LabView直接圖形化調(diào)用。

采集控制板的上述硬件模塊方案設(shè)計(jì)，可以利用適當(dāng)規(guī)模的CPLD實(shí)現(xiàn)。此舉除了成本優(yōu)勢(shì)外，還有體積減少、硬件集成度提高等優(yōu)點(diǎn)，也為提高采集器可靠性創(chuàng)造了條件。CPLD的各種邏輯功能設(shè)計(jì)，由于有功能強(qiáng)大的仿真軟件工具，設(shè)計(jì)過程的快速高效也不言而喻。上述設(shè)計(jì)已經(jīng)在其實(shí)用測(cè)控設(shè)備中投入應(yīng)用，在無板載FIFO情況下，A/D速度可以達(dá)到40kHz以上；有板載FIFO情況下，A/D速度可以達(dá)到A/D采集元件標(biāo)稱上限。EPP端口完全能滿足板載功能模塊的各類數(shù)據(jù)傳輸要求。通過現(xiàn)場(chǎng)反饋的情況來看，采集控制器本身的工業(yè)環(huán)境抗干擾性能和運(yùn)行穩(wěn)定性均表現(xiàn)良好。