isp1032E在高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

　引言

　　isp在系統(tǒng)可編程技術(shù)是相對于以往可編程器件（PLD）實現(xiàn)邏輯設(shè)計時必須有專用的燒錄器而言的，它不需要將isp器件拆上拆下即可實現(xiàn)對所需電路邏輯設(shè)計的反復(fù)設(shè)計和編程。這樣就給系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)、電路板調(diào)試和升級維護帶來了極大的方便，從而縮短了系統(tǒng)的研發(fā)周期，實現(xiàn)了硬件電路的軟件化設(shè)計。

　　相對于常用的PLD器件，isp器件具有體積小、容量大、編程方便、便于在線調(diào)試等優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計，且可實現(xiàn)編程加密。尤其在輸入輸出管腳眾多的情況下，可以大大優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、節(jié)省系統(tǒng)空間。而相對于FPGA器件而言，isp器件的容量要小些，但其片內(nèi)的邏輯一經(jīng)加載就不會因掉電而再丟失。若要改變邏輯，只需通過下載電纜重新加載即可，而無需片外擴展EPROM存儲電路的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，因而電路實現(xiàn)更為方便簡單。其實，這對于一般沒有過于復(fù)雜的邏輯計算的電路設(shè)計，其容量一般已經(jīng)足夠。下面以

　　Lattice公司的isp1032E為例，介紹isp器件在高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)。

　　2 isp1032E器件介紹

　　2．1 isp1032E的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和時序模型

　　isp1032E的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該器件有6000個門單元邏輯，192個寄存器單元，64個通用I／O，8個專用輸入管腳，4個專用時鐘輸入，一個可提供上述各部分內(nèi)部互連的集中連接池GRP。isp1032E的基本邏輯單元是萬能邏輯塊GLB，共32個，分別標定為A0～D7。每個GLB單元對應(yīng)于18個輸入單元、1個與或非邏輯陣列、4個輸出單元。GLB的輸入單元來自于GRP和專用輸入；所有的輸出單元都需進入GRP，以便于連接到其他的輸入單元。

　　isp1032E的內(nèi)部時序模型如圖2所示。其中GOE0、GOE1為所有I／O單元的輸出使能管腳。該管腳也可作為專用輸入管腳來用。外部專用時鐘輸入管腳Y0與所有GLB單元的一個時鐘輸入腳相連；Y1進入時鐘分配網(wǎng)絡(luò)后可選擇控制任何一個GLB單元的時鐘輸入；Y2進入時鐘分配網(wǎng)絡(luò)后可選擇與任何一個GLB單元或I／O單元相連；Y3進入時鐘分配網(wǎng)絡(luò)后可選擇與任何一個I／O單元相連。RESETj鍵可用于將所有的GLB單元或I／O寄存器單元復(fù)位。

圖1

圖2

　　2．2系統(tǒng)邏輯加載的硬件實現(xiàn)

　　在通過硬件加載系統(tǒng)邏輯時，首先用Lattice公司的專用編譯軟件ispDesignExpert生成所需的JED熔絲圖文件，再通過專用下載軟件ispVMSystem中的is－pDCD（ispDaisyChainDownload）將該JED熔絲圖文件轉(zhuǎn)換成isp流的形式，以便于利用PC機并口將所要生成的邏輯通過下載電纜燒錄到相應(yīng)的isp器件中。

圖3

　　isp設(shè)備下載電纜的編程接口協(xié)議采用的是Lattice ISP協(xié)議或ispJTAG協(xié)議標準。ispLSI1000／E和2000系列、以及ispGDS和ispGAL系列都只能通過Lattice ISP接口來進行編程；而ispLSI2000V系列只能采用ispJTAG標準進行編程；其余的ispGDX、ispLSI3000和6000系列均可采用上述兩種協(xié)議。

　　通過下載電纜實現(xiàn)上述過程的原理圖如圖3所示。需要特別注意的是：圖中ispEN信號與地之間必須加入0．01μF的濾波電容，而且該電容與ISPEN腳的距離越近越好。這是因為在下載程序期間，is－pEN信號為低電平有效，這樣就很容易受干擾而淹沒本身很弱的有效信號。
 

3 軟件流程

　　該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖4所示。通常在設(shè)計軟件時，圖形輸入方法與硬件語言描述方法有各自的優(yōu)點。圖形輸入法比較簡單明了，便于調(diào)試；而硬件描述語言在書寫復(fù)雜電路設(shè)計中具有較大的優(yōu)勢。實際上，混合輸入法兼有上面兩種方法的優(yōu)點，因而具有廣泛的應(yīng)用。

　　4 在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

圖4

　　4．1工程背景

　　現(xiàn)代測試系統(tǒng)的一個共同特點是高速、高精度和多參數(shù)綜合測試。在背板式發(fā)動機參數(shù)綜合測試系統(tǒng)中，應(yīng)變、壓阻、熱電阻傳感器以及熱電耦信號的調(diào)理輸出都需要做高精度的采集與處理。為實現(xiàn)高精度的性能指標，充分發(fā)揮DSP速度快，運算功能強大的優(yōu)勢，筆者設(shè)計了以DSP為核心的處理器、以isp譯碼控制電路為核心的控制單元和多路模擬開關(guān)選擇電路、程控放大電路以及程控模擬濾波電路、高精度ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DAC調(diào)零與自標定電路等組成的高精度數(shù)據(jù)采集板。該測試系統(tǒng)對內(nèi)可以實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集，對外可以通過isp譯碼控制經(jīng)儀器總線與其它儀器板卡或互聯(lián)設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。

　　4．2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　圖5是該高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

　　系統(tǒng)中的ADC選用CRYSTAL公司的24位串行雙通道輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5397來實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集。為了檢測模擬通道的功能，通道輸入信號可切換至內(nèi)部的DAC調(diào)零與自標定電路，以便用DAC調(diào)零與自標定電路產(chǎn)生特定的直流與交流信號來作為標定信號此標定信號可用于標定通道的增益與零偏，并提高系統(tǒng)精度。為了實現(xiàn)理想的幅頻特性，系統(tǒng)采用了前端模擬濾波和后端DSP數(shù)字濾波相結(jié)合的工作方式。

　　4．3 應(yīng)用結(jié)果

　　DAC調(diào)零與自標定電路部分的isp譯碼控制電路（原理圖方式）如圖6所示。在該程序成功燒錄到isp芯片后，可以通過isp地址譯碼來控制DAC（DAC7614）串行輸入數(shù)據(jù)和輸入時鐘的開或關(guān)，并根據(jù)該DAC的工作特性輸出所需的、用于調(diào)零與自標定的模擬電壓值。

圖5

圖6

　　在電路設(shè)計中，由于用到的鎖存器數(shù)目繁多，而有可能造成系統(tǒng)資源的不足（鎖存器數(shù)目不足），所以，系統(tǒng)專門設(shè)計有D觸發(fā)器電路以解決D觸發(fā)器資源不足的問題。其原理圖如圖7所示。

　　5　小結(jié)

　　isp在系統(tǒng)可編程技術(shù)及其相應(yīng)的器件ispLSI是Lattice公司1992年首創(chuàng)的。其先進的思想和靈活的在系統(tǒng)可編程方式極大的沖擊了傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計，從而為數(shù)字電路設(shè)計帶來了一場技術(shù)革命。

　　1999年11月，Lattice公司又推出了在系統(tǒng)可編程模擬電路ispPAC（In－System Programmability Pro－grammable Analog Circuits），從此揭開了模擬電路開發(fā)及研究的新篇章。雖然與ALTERA公司和XILINX公司相比，Lattice公司的開發(fā)工具要略遜一籌，但該公司在中小規(guī)模PLD的開發(fā)上非常有特色。特別是在99年收購了Vantis（原AMD子公司）后，Lattice公司已成為世界第三大可編程邏輯器件供應(yīng)商。

圖7