基于AD7892SQ和CPLD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

引 言

        本系統(tǒng)以AD7892SQ和CPLD(復雜可編程邏輯器件)為核心設(shè)計了一個多路信號采集電路，包括模擬多路復用、集成放大、A/D轉(zhuǎn)換，CPLD控制等。采用硬件描述語言Verilog HDL編程，通過采用CPLD使數(shù)據(jù)采集的實時性得到提高。

        1 硬件設(shè)計

        針對多路信號的采集，本系統(tǒng)采用4/8通道ADG508A模擬多路復用器對檢測的信號進行選擇，CMOS高速放大器LF156對選中的信號進行放大，AD7892SQ實現(xiàn)信號的A/D轉(zhuǎn)換，CPLD完成控制功能。電路如圖1所示。
 

        AD7892SQ是美國AD公司生產(chǎn)的LC2MOS型單電源12位A/D轉(zhuǎn)換器，可并行或串行輸出。

        AD7892SQ A/D轉(zhuǎn)換器具有如下特點：單電源工作(+5 V或+10 V)；內(nèi)部含有采樣保持放大器；具有高速的串行和并行接口。

        AD7892SQ控制字的功能如下：

        a)MODE：輸入控制字，低電平時為串行輸出，高電平時為并行輸出，本系統(tǒng)為并行輸出；

        b)STANDBY：輸入控制字，低電平時為睡眠狀態(tài)(功耗5 mW)，高電平時正常工作，一般應(yīng)用時接高電平；

        c)CONVST：啟動轉(zhuǎn)換輸入端，當此腳由低變高時，使采樣保持器保持開始轉(zhuǎn)換，應(yīng)加一個大于25 ns的負脈沖來啟動轉(zhuǎn)換；

        d)EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此腳輸出100 ns的低電平脈沖；

        e)CS：片選，低電平有效；

        f)RD：低電平有效，與CS配合讀，使數(shù)據(jù)輸出。

        MODE腳接高電平時，AD7892SQ為并行輸出，時序如圖2所示。
 

        在EOC下降沿時間內(nèi)開始采樣，就是轉(zhuǎn)換一結(jié)束就開始下次采樣，采樣時間fACQ應(yīng)大于等于200 ns或400 ns，轉(zhuǎn)換結(jié)束后(即E0C的下降沿)，當CS和RD有效時，經(jīng)過t6=40 ns的時間，就可以在DB0-DB11上獲得轉(zhuǎn)換之后的12位數(shù)據(jù)，CS和一般的片選信號相同，可以一直有效，外加RD的時間T5也應(yīng)大于35 ns。CONVST信號t1應(yīng)大于35 ns，在上升沿時采樣保持器處于保持狀態(tài)，開始A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換所需的時間tCONV為1.47μs或1.6μs，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC腳輸出的t2為大于等于60 ns的負脈沖用來進行中斷或數(shù)據(jù)鎖存。由此得出下次采樣和本次的輸出可以同時進行，因此最小的一次采樣轉(zhuǎn)換輸出的時間為1.47+0.2=1.67μs(600 kSPS(千次采樣每秒))，最大1.6+0.4=2 μs(即5 00 kSPS)，圖2中的t9大于等于200 ns，t7近似為5 ns，t3、t4、t8可為0，(此時t9=tACQ)。

        2 程序設(shè)計

        2.1 系統(tǒng)介紹

        系統(tǒng)中的CPLD是結(jié)構(gòu)比較復雜的可編程邏輯器件，硬件描述語言設(shè)計的控制程序?qū)懭隒PLD內(nèi)即可實現(xiàn)其功能。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)常常放在數(shù)據(jù)緩存器中，數(shù)據(jù)緩存區(qū)要求既要有與A/D轉(zhuǎn)換芯片的接口，又要有與系統(tǒng)DSP的接口，以提高數(shù)據(jù)吞吐率，本系統(tǒng)選用FIF0(先進先出)，并且FIF0具有不需要地址尋址的優(yōu)點[1]。

        2.2 系統(tǒng)的軟件描述

        本系統(tǒng)采用Verilog HDL語言進行描述。VerilogHDL被近90％的半導體公司使用，成為一種強大的設(shè)計工具。其優(yōu)點是[2]：

        a)Verilog HDL是一種通用的硬件描述語言，易學易用；

        b)Verilog HDL允許在同一個電路模型內(nèi)進行不同抽象層次的描述，設(shè)計者可以從開關(guān)、門、RTL或者行為等各個層次對電路模型進行定義；

        c)絕大多數(shù)流行的綜合工具都支持VerilogHDL，這是Verilog HDL成為設(shè)計者的首選語言的重要原因之一；

        d)所有的制造廠商都提供用于Verilog HDL綜合之后的邏輯仿真的元件庫，因此使用Verilog HDL進行設(shè)計，即可在更廣泛的范圍內(nèi)選擇委托制造的廠商；
e)PLI(編程語言接口)是Verilog HDL語言最重要的特性之一，它使得設(shè)計者可以通過自己編寫C代碼來訪問Verilog HDL內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

        2.3 AD7892SQ描述

        描述AD7892SQ模塊，可以把模塊用于采集系統(tǒng)的仿真，以驗證FSM(有限狀態(tài)機)設(shè)計的正確性。該模塊主要有4個輸入信號和1個輸出信號，與芯片的控制信號一致。程序如下：
AD7892SQ仿真波形見圖3。

 

        2.4 FSM描述
 
        FSM為異步工作。當convst有效時停留在convst_ad狀態(tài)，且rd和cs都為1，convst為0且處于clock的上升沿時FSM會處于4個狀態(tài)中的一個狀態(tài)。圖4為FSM仿真波形。
 

        2.5 FIFO描述

        FIFO為同步工作。當reset有效且處于clock的上升沿時，dout為O；reset為1且處于clock上升沿時，read和write組合的4種情況分別對應(yīng)各自的工作狀態(tài)。圖5為FIFO仿真波形。
 

        3 結(jié)束語

        Verilog HDL硬件描述語言已越來越廣泛地應(yīng)用于EDA(電子設(shè)計自動化)領(lǐng)域，多數(shù)EDA設(shè)計工程師都用它進行ASIC(專用集成電路)設(shè)計和CPLD/FPCA開發(fā)。用高級語言進行電路設(shè)計，能夠靈活地修改參數(shù)，而且極大地提高了電路設(shè)計的通用性和可移植性。最后需要指出的是，采用IP核的方法設(shè)計電路，不但可以單獨使用，而且可以嵌入到ASIC或CPLD/FPGA的電路設(shè)計中，同時縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，應(yīng)大力推廣。