换体DMA高速数据采集电路的CPLD实现

换体DMA高速数据采集电路的CPLD实现

介绍了换体DMA高速数据采集电路原理及其CPLD实现。用CPLD设计双端口RAM缓存、控制译码、时序逻辑电路，很好地解决了电路元件所占体积大、电路复杂、不能实现在线升级等问题，大提出了系统的整体性能。
关键词：换体DMA　CPLD　双端口RAM　在线升级
  
   在许多仪器和控制系统中，高速数据采集电路是必不可少的，也是经常需要解决的问题。数据采集电路设计方法很多，但往往离不开A/D转换电路、数据缓存电路、控制逻辑电路、地址发生器、地址译码电路等。而数据缓存、控制逻辑、地址译码等电路通常是由RAM芯片、与非门、触发器、缓冲/驱动器等构成，导致数据采集电路复杂、芯片繁多，特别是硬件的固定使得采集系统在线升级几乎不可能。很多情况下只有重新设计电路和印刷板，重新焊接和调试，造成开发周期长、成本大大增高。复杂可编程逻辑器件CPLD的应用，为这些问题的解决提供了一种好的办法。利用CPLD芯片本身集成的上万个逻辑门和EAB，把数据采集电路中的数据缓存、地址发生器、控制译码等电路全部集成进一片CPLD芯片中，大大减小了系统的体积，降低了成本，提高了可靠性。同时，CPLD可由软件实现逻辑重构，而且可实现在系统中编程(ISP)以及有众多功能强大的EDA软件的支持，使得系统具有升级容易、开发周期短等优点。在数据采集电路中，采用换体DMA技术不但大大地提高了数据采集的速度，而且弥补了数据采集中可能丢失数据的缺陷。
 
1 换体DMA数据采集电路原理

   系统原理框图如图1所示。在时序电路的控制下，模拟输入开关将多达16路(单端输入)或8路(差分输入)的模拟输入信号经多路开关送至放大器的输入端，放大后由内含采样/保持电路的模数转换器AD774B转换成数字量，转换完的数字量经时序电路的控制写入两个存储体的一个(例如存储体0)中。每个存储体有4KB的容量，但实际使用中的存储体容量可设定为小于4KB。当计数到设定的存储容量后，控制电路产生换体信号，后续的A/D转换数据自动地存入另一个存储体(存储体1)。同时控制电路向主机发出DMA请求信号，主机响应请求后在时序电路的配合下，从已存够规定数据的存储体(存储体0)中读入所存的数据。这样存储体0和存储体1交替存取，直到规定的换体次数计完为止。 

     数据采集电路中，时序控制电路、地址发生器、多路控制驱动器等芯片众多，占用了大部分体积，逻辑时序复杂。用CPLD实现这些电路则显得简单明了，如图2所示。图2中地址发生器、双端口RAM、时序控制等电路都可以用HDL语言或原理图，或是两者结合来实现，使电路开发简单、灵活、方便。

2 采用CPLD实现换体DMA
      CPLD的开发必须经过前期的逻辑设计、前仿真、后仿真、目标代码下载及在线调试等过程，该设计过程是借助ALTERA公司的EDA软件MAXPLUS II 10.1来实现的。MAXPLUS II支持原理图输入、HDL语言输入、设计波形输入等。本设计则是将原理图和HDL语言输入相结合，这样既可以加快开发速度，又不失灵活性。本电路设计所用的CPLD芯片-FLEX10K30E。它是ALTERA公司1995年把EAB与逻辑阵列块相结合的产品，增加了许多FLEX10KA、B系列没有的新特点；FLEX10K30E内有30000个逻辑门，247576个RAM位，支持3.3V、5V多种电源，速度等级高。

2.1 数据缓存--双端口RAM
      双端口RAM的核心是存储器阵列，它的读与写相互独立，有各自的时钟线、地址总线、数据总线和使能端。在数据采集时，数据进入存储器进行缓存，同时CPU可以从缓存中取出数据读进计算机内存。在传统的双RAM换体方案中要实现换体，存储器芯片必须使用偶数片来交互存储；当A/D数据位数超过8位时，需要另加芯片来存储高于8位的数据。在CPLD中设计双端口RAM模块不但实现了双RAM换体功能，而且使缓存RAM的数据位数、存储量大小可以根据需要任意配置。
    如上所述，在CPLD中设计双端口RAM，可以有两种方式：原理图输入和HDL语言输入。本设计采用的是MAXPLUS II库中的LPM_RAM_DP宏，原理图如图3所示。

      在LPM_RAM_DP宏中总共有10个可配置参数。通常情况下，只配置LPM_WIDTH(数据宽度)、LPM_WIDTHAD(地址总线宽度)、USE_EAB(是否使用嵌入式阵列块EAB)三个参数。在本设计中，AD774B的数据宽度是12位，转换速率为8微秒，所以配置了LPM_WIDTH＝12,LPM_WIDTHAD＝10(缓存容量为1K)，USE_EAB＝ON。对于缓存的大小，可以在调试过程中根据具体采集速度和缓存要求进行在线调整，而不影响其他逻辑电路。
    图3LPM_RAM_DP模块中rd-address、rden、rdclock、rdclken、q分别为读端的地址线、使能端、时钟线、时钟使能和数据线；data、wraddress为写端的数据总线和地址总线。图3的双端口RAM模块并没有BUSY端，当写地址和读地址相同时，数据位冲突，读写不能正常工作。在实际工作中，这种问题是不应该出现的。结合本系统的具体需要，在此引入了存储器分页概念，即把1K字节的双端口RAM分为2页，每页512字节，分别为读缓存页和写缓存页，两者相互交换。当采集数据量达到512字节时，系统马上申请DMA传送，把刚转换完的第一页中的512字节数据送给计算机，传送结束后等待下一次DMA申请；与此同时，A/D继续工作，转换的数据放在第2页0~511地址中。任何时候读写都分别在不同的页工作，从而有效地避免了数据冲突，但又不影响数据传输速度。具体的分页控制主要由地址发生器设计确定。

2.2 分页地址发生器
     分页地址发生器不但要产生双端口RAM的读写地址，而且还要为缓存器分页；页写满时，还要提供DMA传输申请信号。为了增强灵活性，读写地址发生器由VHDL语言编程集中在一个模块实现，部分程序如下：
signal wtmp integer range 0 to 1023?
signal rtmp integer range 0 to 1023?
signal page intefer range 0 to 1?
if wclk'event and wclk＝＇1＇? then
if wtmp＞1023 then wtmp＜＝0?
else wtmp＜＝wtmp+1? --wtpm为写地址值
end if?
if ?0＝＜wtmp＜512?then page＜＝0? --page为存储器分页
标志
else page＜＝1? --"0"代表第０页
end if? --"1"代表第一页
if wtmp＝512 and wtmp＝1023?then page_full＜＝＇1＇?
else page_full＜＝＇0＇? --page-full为页写满
标志，同时为DMA传送申请信号
end if?
end if?
if page＝0?then rtmp＜＝0? --不同的页置不同的
数据读地址初始值
else if page＝1 then rtmp＜＝512?
end if?
if rclk＇event and rclk＝＇1＇? then
if en＝＇1＇ and rtmp＜1024 then rtmp＜＝rtmp+1?
end if --rtmp为读地址值
end if?
       代码经过编译生成的原理框图如图3的ADD_CREATE模块。在图形输入编辑环境下，可以把它作为一个标准的原理图与其他模块连接；写地址时钟WCK由AD774B的STS端产生，每一组数据转换结束后，地址发生器加1，读地址时钟RCK由DMA应答信号DACK提供；PAGE_FULL在0页或1页满时变为高电平，经D触发器申请DMA传输，把刚满页的数据送给计算机内存。

2.3 时序逻辑电路的设计
    在数据采集电路中，时序逻辑电路主要解决地址译码、时序逻辑控制、数据锁存等功能。用普通的中小规模集成电路实现，电路组成庞大；而用VHDL语言实现则简单灵活、易于更新升级。图3中的微机译码电路、数据缓冲器、D触发器等都可以在MAXPLUS II的图形编辑环境下，从库中直接调出。计算机在每次DMA传送中都向外设输出一个应答信号DACK和读允许信号IOR，利用这个特点，正好把它们作为读缓存的地址时钟，即每DMA传送一次，读地址加1；AD774B每转换完一组数据，在STS端输出由低电平转为高电平，刚好给写缓存提供写地址时钟，同时经过适当延时，STS又可以送到R/C端作为A/D下一次转换的启动信号。 
3 DMA的应用
数据传送的查询方式和中断方式都是在CPU的控制下进行的，因而传输速率受CPU指令运行速度的限制。直接存储器存取方式，即DMA方式。存储器与外设在DMA控制器控制下，直接传送数据而不通过CPU，传输速率主要取决于存储器存取速度。所以在DMA过程中，数据传输完全由DMA控制器8237A控制，不占用CPU时间。
   在本换体DMA高速数据采集电路中，用复杂可编程逻辑器件CPLD来实现数据缓存、带分页功能的地址发生器以及复杂的逻辑和时序电路等，使得电路大大简化；同时硬件电路软件化，具有可在线更新、升级容易、保密性强等特点。本换体DMA高速数据采集电路已成功地应用在生物医学仪器、核谱获取电路中。
 
参考文献
1 雷丽文． 微机原理与接口技术．北京：电子工业出版社，1999
2 宋万杰． CPLD技术及其应用．西安：西安电子科技大学出版社， 2000
3 ALTERA Data sheet of EPF 10K30E,2001
4 侯伯亨．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计．西安： 西安电子科技大学出版社，1997