基于CPLD的數(shù)據(jù)采集與顯示接口電路仿真設計

0 引 言

CPLD稱為復雜可編程邏輯設計芯片，它是大規(guī)?？删幊唐骷?，具有高集成度、高可靠性、高速度的特點。CPLD是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設計的載體。硬件描述語言是EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設計的主要表達手段，VHDL語言是常用的硬件描述語言之一;軟件開發(fā)工具是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設計的智能化的自動化設計工具，常用開發(fā)工具有QuartusII，Ispexpert，F(xiàn)oundation等。CPLD以高速、高可靠性、串并行工作方式等特點在電子設計中廣泛應用。它打破了軟硬件之間的界限，加速了產(chǎn)品的開發(fā)過程。同樣單片機具有性價比高、功能靈活、良好的數(shù)據(jù)處理能力等特點。 CPLD芯片與單片機結(jié)合在高性能儀器儀表中應用廣泛。

1 電路的仿真設計

1.1 硬件電路功能

用一片MCS-51芯片、一片CPLD/FPGA芯片、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并用CPLD/FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、D/A轉(zhuǎn)換輸出、有關(guān)數(shù)據(jù)顯示的控制，單片機完成對A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)運算。電路如圖1所示。

系統(tǒng)功能如下：系統(tǒng)按一定速率采集輸入電壓Ui，經(jīng)AD0809轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量data;輸入數(shù)據(jù)與通過CPLD/FPGA采樣后輸入單片機進行相關(guān)運算，最后通過CPLD/FPGA送至DAC0832轉(zhuǎn)換為△U;數(shù)據(jù)采集和處理均在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制器的管理下有序進行。工作速率由時鐘信號 CLK的速率決定。

1.2 單片機與CPLD/FPGA接口設計

單片機采用以總線方式與可編程芯片進行數(shù)據(jù)與控制信息通信，此方式有許多優(yōu)點：

(1)速度快。其通信工作時序是純硬件行為，對于MCS-51單片機只需一條單字節(jié)指令就能完成所需的讀/寫時序如MOV@DPTR A和MOVA@DPTR。

(2)節(jié)省CPLD芯片的I/O口線。如果將圖中的譯碼器設置足夠的譯碼輸出以及安排足夠的鎖存器就能僅通過19根I/O口線在FPGA/CPLD與單片機之間進行各種類型的數(shù)據(jù)與控制信息交換。

(3)相對于非總線方式單片機的編程簡捷控制可靠。

(4)在FPGA/CPLD中通過邏輯切換單片機易于與SRAM或ROM接口。這種方式首先由FPGA/CPLD與接口的高速A/D等器件進行高速數(shù)據(jù)采樣并將數(shù)據(jù)暫存于SRAM中。采樣結(jié)束后通過切換使單片機與SRAM以總線方式進行數(shù)據(jù)通信以便發(fā)揮單片機強大的數(shù)據(jù)處理能力。

系統(tǒng)工作過程如下：ALE為地址鎖存使能信號，當下降沿來時，將P0口將低8位地址送入可編程芯片CPLD/FPGA中的地址鎖存器，然后在 P2口和P0口形成的16位地址及WR信號共同作用下，將P0口的數(shù)據(jù)送入可編程芯片。單片機通過兩條指令MOVXDPTR@ ADDR和MOVX @DPTR A將數(shù)據(jù)寫入芯片。在P2口和P0口形成的16位地址及RD信號共同作用下，將AD0809轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)data送入單片機的P0口。單片機通過兩條指令 MOVX DPTR @ADDR和MOVXA@ DPTR將數(shù)據(jù)讀入P0口。設置A/D轉(zhuǎn)換器件片選信號ad_e和DA轉(zhuǎn)換器件片選信號da_e，設置數(shù)據(jù)輸入/輸出口data[7..0]。單片機與 FPGA通信接口程序(名為MCS51)通過編譯后，生成的邏輯符號如圖2所示。

CPLD使用EPM7128時鐘為16 MHz有源晶振，首先使用CLK對復位信號采樣，8051的復位信號要求是高電平維持2個機器周期，2個機器周期就是2×12=24個振蕩周期，對復位信號連續(xù)采樣10次，若是一直為高電平，就產(chǎn)生片內(nèi)復位使能信號。其他片內(nèi)寄存器以這個復位信號做同步復位，對WR.RD，ALE都做了采樣，避免毛刺干擾。

1.3 AD0809與CPLD/FPGA狀態(tài)機接口設計

1.3.1 AD0809狀態(tài)機功能設計

狀態(tài)機的最簡結(jié)構(gòu)一般由兩個進程構(gòu)成，即主控時序進程和主控組合進程。一個進程描述時序邏輯輸出，另一個進程描述組合邏輯包括進程問狀態(tài)值的傳遞邏輯以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換值的輸出。將AD0809與CPLD/FPGA的接口設計系統(tǒng)劃分為兩部分，即數(shù)據(jù)單元和控制單元。數(shù)據(jù)單元包括保存運算數(shù)據(jù)和運算結(jié)果的數(shù)據(jù)寄存器，也包括完成數(shù)據(jù)運算的組合邏輯電路。控制單元用來產(chǎn)生信號序列，以決定何時進行何種數(shù)據(jù)運算，控制單元要從數(shù)據(jù)單元得到條件信號，以決定繼續(xù)進行那些數(shù)據(jù)運算。數(shù)據(jù)單元要產(chǎn)生輸出信號、數(shù)據(jù)運算狀態(tài)等有用信號。數(shù)據(jù)單元和控制單元中，有兩個非常重要的信號，即復位信號和時鐘信號。復位信號保證了系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定性，時鐘信號則是時序系統(tǒng)工作的必要條件。狀態(tài)機通常在復位信號到來的時候恢復到初始狀態(tài)，每個時鐘到來的時候內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化。從AD0809的初始狀態(tài)開始，也就是狀態(tài)機復位以后開始的狀態(tài)。在建立每個狀態(tài)時都寫出關(guān)于這個狀態(tài)的文字功能描述，AD0809狀態(tài)機功能描述與相應引腳的取值如下：

1. 3.2 ADC0809狀態(tài)機程序設計

ADC0809為單極性輸入，8位轉(zhuǎn)換精度逐次逼進式A/D轉(zhuǎn)換器。其采樣速度為每次轉(zhuǎn)換約 100μs。在轉(zhuǎn)換開始前由地址鎖存允許信號ALE將3位地址鎖入鎖存器中以確定轉(zhuǎn)換信號通道。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號，由低電平轉(zhuǎn)為高電平時指示轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時可讀人轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)。EOC在低電平時指示正在進行轉(zhuǎn)換。START為轉(zhuǎn)換啟動信號，上升沿啟動。OE為數(shù)據(jù)輸出允許高電平有效。CLK為 ADC轉(zhuǎn)換時鐘輸入端口500 kHz左右。為了達到A/D器件的最高轉(zhuǎn)換速度，A/D轉(zhuǎn)換控制器必須包含監(jiān)測EOC信號的邏輯，一旦EOC從低電平變?yōu)楦唠娖郊纯蓪E置為高電平，然后傳送或顯示已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)[DO..D7]。狀態(tài)機由三個進程組成ADC，AD_STATE和DATA_LOCK。ADC是此狀態(tài)機的主控組合邏輯進程，確定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換方式和反饋控制信號的輸出工作過程中首先監(jiān)測系統(tǒng)復位信號RST，當其為高電平時使此進程復位至初始態(tài)ST0。啟動A/D轉(zhuǎn)換信號 START在狀態(tài)ST3搜索轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號EOC由0變1時即在狀態(tài)ST4開啟輸出。使能信號OE在下一狀態(tài)使LOCK產(chǎn)生一個上跳沿從而在此時啟動進程 DATA_LOCK將由0809轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)鎖進鎖存器ADC_DATA。根據(jù)時序電路圖通過狀態(tài)機設計程序完成與CPLD/FPGA芯片的連接。圖 3為狀態(tài)機程序仿真結(jié)果。

1.4 BCD碼轉(zhuǎn)換與顯示電路設計

當ADC0809的基準電壓(Vref)為5.12V時，最小電壓準位是 5.12/28=O.2V。分析模擬輸入電壓與輸出電壓的對應關(guān)系可知，當ADC0809的D[7..0]收到的數(shù)據(jù)信號為10000110(即86H) 時，則高4位1000為2.56V，而低4位0110為O.12V，所以最后的電壓輸出結(jié)果是2.68V。為了方便后續(xù)的電壓數(shù)據(jù)顯示，在此將輸出電壓表示成12位的BCD碼形式。將高4位數(shù)據(jù)D(7..4)轉(zhuǎn)換為對應的高12位BCD碼H(11..0);將低4位數(shù)據(jù)D(3..0)轉(zhuǎn)換為對應的低12位 BCD碼L(11..O)。在程序中首先用VHDL語言描述一個新的進程Process(regl)，然后采用case…when …語句，生成并行結(jié)構(gòu)的電路。

將生成的高12位BCD碼與低12位的BCD碼相加，得到12位的BCD碼，該結(jié)果即為所求的BCD碼結(jié)果。如上述的2.56V的BCD碼是 0010 0101 0110，O.12V的BCD碼是0000 0001 00lO。所以相加的結(jié)果是0010 0110 1000，即為2.68V。因此在電路中必須設計一個12位的BCD碼加法程序，實現(xiàn)由8位二進制轉(zhuǎn)換為12位BCD碼硬件電路。在程序設計中應當注意的是BCD碼相加時，由最低4位加起，且每4位相加的結(jié)果超過1001時，應加0110調(diào)整。該段程序的描述是通過一個進程 Process(HB，LB，CEN)來實現(xiàn)。其中HB表示生成的高12位BCD碼，LB表示生成的低12位BCD碼.CEN表示系統(tǒng)提供的時鐘信號。在時鐘上升沿時刻進行BCD碼相加，并判斷結(jié)果是否超過1001，判斷程序采用if…then…語句，實現(xiàn)條件判斷電路。按照圖4完成BCD碼程序轉(zhuǎn)換設計。將以上兩段程序進行組合，最終獲得由VHDL語言描述的BCD碼轉(zhuǎn)換程序。

1.5 A/D轉(zhuǎn)換與BCD碼合成系統(tǒng)電路

將A/D轉(zhuǎn)換電路與BCD碼轉(zhuǎn)換電路組成統(tǒng)一系統(tǒng)，通過硬件編程語言VHDL中的進程語句將編制成功的A/D轉(zhuǎn)換電路描述語句和BCD碼轉(zhuǎn)換電路描述語句組合成一個整體程序，通過QuartusⅡ軟件生成系統(tǒng)圖，如圖5所示。

A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由3位十進制數(shù)表示，每位十進制數(shù)由4位BCD碼表示，總共有12位BCD碼輸出。將電路輸出BCDOUT(11..0)分成 BCDOUT(11..8)，BCDOUT(7..4)和BCDOUT(3..0)三部分，通過三個進程Process()分別用VHDL語言編程描述 LED顯示驅(qū)動。對整個系統(tǒng)進行波形仿真，得到仿真波形如圖6所示，最后在GW48-CK實訓開發(fā)系統(tǒng)完成功能驗證。

2 結(jié) 語

將CPLD和微機控制技術(shù)相結(jié)合，在智能儀表設計和控制系統(tǒng)設計領(lǐng)域提高了系統(tǒng)設計的靈活性，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，同時使系統(tǒng)易于升級和擴展。因為采用了CPLD(復雜可編程邏輯器件)，極大提高了系統(tǒng)I/O口利用率，縮小了印刷電路板面積，提高了系統(tǒng)集成度，在多輸入/多輸出的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)領(lǐng)域有十分廣闊應用前景。