基于FPGA的數(shù)據(jù)采集控制模塊的研究與設(shè)計(jì)

引 言

　　數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)是對生產(chǎn)過程或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中各種物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、測試和反饋控制的閉環(huán)控制，它在工業(yè)控制、軍事電子設(shè)備、醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)等許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其中，數(shù)據(jù)采集部分尤為重要，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通常采用單片機(jī)或DSP作為控制器，用以控制ADC、存儲(chǔ)器和其他外圍電路的工作，使得采集速度和效率降低。近年來，微電子技術(shù)，如：大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。從而使器件向模塊化和單片化發(fā)展，使所用軟件均向?qū)崟r(shí)高級語言和軟件模塊化發(fā)展，接口向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。由于FPGA時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部延時(shí)小，全部控制邏輯均由硬件完成，速度快，效率高，同時(shí)它有非常強(qiáng)大的硬件描述語言和仿真工具，方便檢驗(yàn)結(jié)果的正確性?；谝陨峡紤]，在設(shè)計(jì)中采用FPGA作為控制處理器。而VGA接口的設(shè)計(jì)，更突出了該模塊的兼容性，更易于采集數(shù)據(jù)的直觀表現(xiàn)。

　　
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　完整的數(shù)據(jù)采集過程通常由數(shù)據(jù)的通道選擇、采樣、存儲(chǔ)、顯示構(gòu)成，有時(shí)也要對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼Ｆ渲?，控制模塊起到了核心作用，他作為控制信號產(chǎn)生和處理的中樞對這些外圍電路進(jìn)行著實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理。設(shè)計(jì)過程中采用FPGA作為控制器，完成對A／D轉(zhuǎn)換器的控制，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一定的存儲(chǔ)單元．通過VGA接口協(xié)議，最后在顯示器上顯示。具體涉及的外圍電路中，數(shù)據(jù)采集部分主要應(yīng)用ADC0809作為數(shù)據(jù)采集芯片，對輸入的模擬量進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)緩存部分應(yīng)用6116作為存儲(chǔ)芯片，用來緩存0809采集的數(shù)據(jù)；按鍵控制部分利用8個(gè)按鍵來控制0809的轉(zhuǎn)換通道選擇；圖形顯示部分輸出標(biāo)準(zhǔn)的VGA信號，使用CRT顯示器，以顯示實(shí)時(shí)波形。由于在設(shè)計(jì)中對外部器件進(jìn)行控制的控制器都是由FPGA完成的，F(xiàn)P-GA的工作量很大，因此所采用的FPGA芯片為FLEX系列中30萬門的EPF10K30。

　　
2 基于FPGA的主控模塊的實(shí)現(xiàn)

　　主控制器的工作原理如圖1所示。

　　通過一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換控制器產(chǎn)生對ADC0809的控制信號。啟動(dòng)ADC0809之后，隨即就會(huì)按照一定頻率進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。同時(shí)通過一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存信號將數(shù)據(jù)鎖存到A／D轉(zhuǎn)換控制模塊中。這個(gè)鎖存信號將作為RAM控制器寫輸入控制信號。當(dāng)RAM讀寫控制器的寫控制信號有效之后，將開啟RAM的寫使能有效信號，將采集到的數(shù)據(jù)寫入RAM的第600個(gè)地址單元中，然后RAM控制器將RAM中的數(shù)據(jù)向上移動(dòng)一位，移動(dòng)完之后，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)更新完畢信號，之后才通過內(nèi)部的一個(gè)控制信號，允許從RAM讀出數(shù)據(jù)。若RAM中讀數(shù)據(jù)使能，每當(dāng)VGA顯示控制器發(fā)出一個(gè)讀數(shù)據(jù)命令時(shí)，RAM讀寫控制器便開啟RAM的讀有效信號，讀出RAM中的數(shù)據(jù)，并且通過VGA控制器的時(shí)序控制和輸出信號進(jìn)行顯示。外部的按鍵部分共有8個(gè)，這8個(gè)按鍵控制ADC0809的8路通道的選擇。鍵盤控制器的功能就是掃描所按下按鍵的行和列值，并且合成鍵值。轉(zhuǎn)換成按鍵數(shù)值0～7，最終控制8個(gè)模擬輸入通道的選擇。

　　2．1 VGA顯示控制器的設(shè)計(jì)

　　常見的彩色顯示器一般由陰極射線管(CRT)構(gòu)成，彩色是由紅、黃、藍(lán)(R，G，B)三基色組成的，用逐行掃描的方式解決圖像顯示。其引出線共含5個(gè)信號：R，G，B三基色信號；HS；行同步信號；VS；場同步信號。

　　對于VGA顯示器的這五個(gè)信號的時(shí)序驅(qū)動(dòng)要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，即640×480×60模式，否則會(huì)損害VGA顯示器。在此，控制器共有2個(gè)輸入信號，6個(gè)輸出信號。CLK連接到外部的晶振上，其晶振頻率是50 MHz。由于VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的晶振頻率是25 MHz。因此，在此控制器中首先要將時(shí)鐘進(jìn)行二分頻。RD是一個(gè)8位的數(shù)據(jù)量，它接收從RAM讀出的數(shù)據(jù)。輸出信號READ用于控制RAM控制模塊開啟RAM的讀有效信號，只要READ有變化，那么將進(jìn)入讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，由RD接收讀出來的數(shù)據(jù)。HS和VS分別是行同步信號和場同步信號，R，G，B為三條輸出的信號線。顯示波形是通過改變R，G，B這三條輸出信號的值來實(shí)現(xiàn)的。

　　每讀出一個(gè)數(shù)據(jù)，其實(shí)是對應(yīng)著一個(gè)像素點(diǎn)。由于這里所采集的電壓值范圍是0～5 V，對應(yīng)ADC0809轉(zhuǎn)換成的數(shù)據(jù)量是0x00～0xFF、，所以在設(shè)計(jì)時(shí)只要將RD接收的具體數(shù)值與顯示器中的某一行相對應(yīng)即可，具體實(shí)現(xiàn)用比較語句就可以實(shí)現(xiàn)行定位，同時(shí)列輔助寄存器LLV加1即可，這樣即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)波形。這些點(diǎn)連接起來就是一個(gè)完整的波形，而其中行同步和場同步信號的產(chǎn)生則分別由內(nèi)部信號CC，LL根據(jù)已知的輸入時(shí)鐘，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的方式，達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的頻率。

　2．2 A／D轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計(jì)

　　在此設(shè)計(jì)中，是利用狀態(tài)機(jī)對A／D轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制的。控制ADC0809采樣狀態(tài)圖，如圖2所示。

　　在狀態(tài)ST0中，對0809進(jìn)行初始化，之后進(jìn)入到狀態(tài)ST1；在狀態(tài)ST1中，ALE和START信號有效，這時(shí)EOC信號變?yōu)榈碗娖?，進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)ST2。此時(shí)，需要對0809工作狀態(tài)信號EOC進(jìn)行測試，如果為低電平，表示轉(zhuǎn)換沒結(jié)束，仍需要停留在ST2狀態(tài)中等待，直到變成高電平后才說明轉(zhuǎn)換結(jié)束，在下一時(shí)鐘脈沖到來時(shí)轉(zhuǎn)向狀態(tài)ST3。在狀態(tài)ST3，由狀態(tài)機(jī)向0809發(fā)出轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)輸出允許命令，這一狀態(tài)周期同時(shí)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)ST4，由狀態(tài)機(jī)向FPGA中的鎖存器發(fā)出鎖存信號，將0809輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。

　　2．3 RAM讀寫控制器的設(shè)計(jì)

　　在該模塊設(shè)計(jì)中，RAM讀寫控制模塊又分為讀控制模塊、寫控制模塊和讀寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊。寫控制模塊中兩個(gè)輸入信號分別與A／D轉(zhuǎn)換控制模塊的數(shù)據(jù)鎖存和轉(zhuǎn)換輸出相連。當(dāng)鎖存信號使能，即發(fā)出寫信號，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部RAM的第600個(gè)地址空間之后，再對之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行前移，以達(dá)到數(shù)據(jù)的及時(shí)更新。讀控制模塊的控制信號分別與寫更新完畢信號和讀信號相連，當(dāng)寫更新完畢信號使能時(shí)，只要接到讀信號，則依次讀完外部RAM前600個(gè)地址空間(一場)的數(shù)據(jù)。

　　2．4 鍵盤掃描控制器的設(shè)計(jì)

　　鍵盤控制模塊由四個(gè)模塊組成，包括：時(shí)鐘分頻模塊、行鍵值輸出模塊、鍵值鎖存模塊和鍵值合成模塊。鍵值鎖存模塊將按下按鍵的行、列信息鎖存，并交由鍵值合成模塊，該模塊配合行鍵輸出模塊輸出的結(jié)果進(jìn)行查表，最終確定鍵值。

　　
3 仿真結(jié)果

　　Max+PlusⅡ仿真平臺的圖形輸入方式直觀，符合傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣，便于進(jìn)行接口的設(shè)計(jì)，容易實(shí)現(xiàn)仿真，便于信號的觀察?；谝陨峡紤]，利用此平臺，用硬件描述語言VHDL來實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊，A／D轉(zhuǎn)換控制器和VGA顯示控制器模塊的時(shí)序仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

　　
4 結(jié) 語

　　這里的數(shù)據(jù)采集控制模塊主要以FPGA為基礎(chǔ)，本著軟件硬件化的思路，著重研究主控制模塊的實(shí)現(xiàn)。由于采用FPGA作為控制處理器，其速度快，效率高，且標(biāo)準(zhǔn)的VGA接口使得系統(tǒng)的使用更加便捷，鍵盤控制的多通道間切換，也為實(shí)現(xiàn)多路采集奠定了基礎(chǔ)。