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(duì)于以往可編程器件（PLD）實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)所需電路邏輯設(shè)計(jì)的反復(fù)設(shè)計(jì)和編程。這樣就給系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)、電路板調(diào)試和升級(jí)維護(hù)帶來(lái)了極大的方便，從而縮短了系統(tǒng)的研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)了硬件電路的軟件化設(shè)計(jì)。

　　相對(duì)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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，且可實(shí)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(jì)、節(jié)省系統(tǒng)空間。而相對(duì)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(huì)因掉電而再丟失。若要改變邏輯，只需通過(guò)下載電纜重新加載即可，而無(wú)需片外擴(kuò)展EPROM存儲(chǔ)電路的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，因而電路實(shí)現(xiàn)更為方便簡(jiǎn)單。其實(shí)，這對(duì)于一般沒有過(guò)于復(fù)雜的邏輯計(jì)算的電路設(shè)計(jì)，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(shí)序模型

　　isp1032E的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該器件有6000個(gè)門單元邏輯，192個(gè)寄存器單元，64個(gè)通用I／O，8個(gè)專用輸入管腳，4個(gè)專用時(shí)鐘輸入，一個(gè)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(wàn)能邏輯塊GLB，共32個(gè)，分別標(biāo)定為A0～D7。每個(gè)GLB單元對(duì)應(yīng)于18個(gè)輸入單元、1個(gè)與或非邏輯陣列、4個(gè)輸出單元。GLB的輸入單元來(lái)自于GRP和專用輸入；所有的輸出單元都需進(jìn)入GRP，以便于連接到其他的輸入單元。

　　isp1032E的內(nèi)部時(shí)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(lái)用。外部專用時(shí)鐘輸入管腳Y0與所有GLB單元的一個(gè)時(shí)鐘輸入腳相連；Y1進(jìn)入時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)后可選擇控制任何一個(gè)GLB單元的時(shí)鐘輸入；Y2進(jìn)入時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)后可選擇與任何一個(gè)GLB單元或I／O單元相連；Y3進(jìn)入時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)后可選擇與任何一個(gè)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(shí)現(xiàn)

　　在通過(guò)硬件加載系統(tǒng)邏輯時(shí)，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(guò)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(jī)并口將所要生成的邏輯通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)。ispLSI1000／E和2000系列、以及ispGDS和ispGAL系列都只能通過(guò)Lattice ISP接口來(lái)進(jìn)行編程；而ispLSI2000V系列只能采用ispJTAG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(guò)下載電纜實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程的原理圖如圖3所示。需要特別注意的是：圖中ispEN信號(hào)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?yàn)樵谙螺d程序期間，is－pEN信號(hào)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(hào)。
 

3 軟件流程

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

　　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(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)共同特點(diǎn)是高速、高精度和多參數(shù)綜合測(cè)試。在背板式發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng)中，應(yīng)變、壓阻、熱電阻傳感器以及熱電耦信號(hào)的調(diào)理輸出都需要做高精度的采集與處理。為實(shí)現(xiàn)高精度的性能指標(biāo)，充分發(fā)揮DSP速度快，運(yùn)算功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，筆者設(shè)計(jì)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(biāo)定電路等組成的高精度數(shù)據(jù)采集板。該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集，對(duì)外可以通過(guò)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(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集。為了檢測(cè)模擬通道的功能，通道輸入信號(hào)可切換至內(nèi)部的DAC調(diào)零與自標(biāo)定電路，以便用DAC調(diào)零與自標(biāo)定電路產(chǎn)生特定的直流與交流信號(hào)來(lái)作為標(biāo)定信號(hào)此標(biāo)定信號(hào)可用于標(biāo)定通道的增益與零偏，并提高系統(tǒng)精度。為了實(shí)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(biāo)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(guò)isp地址譯碼來(lái)控制DAC（DAC7614）串行輸入數(shù)據(jù)和輸入時(shí)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(biāo)定的模擬電壓值。

圖5

圖6

　　在電路設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(jì)，從而為數(shù)字電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了一場(chǎng)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(gòu)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