基于复杂可编程逻辑器件实现数据采集系统的软硬件设计

1 引言

以往的数据采集系统多数采用单片机、DSP等微处理器产生A/D转换芯片所需要的控制时序，以及通道转换所需要的时序逻辑信号，这样会占用CPU较多的时间。本文介绍基于CPLD的高速高精度数据采集系统设计方法，所需控制时序及地址译码等电路均由CPLD产生，并将转换结果放于双端口RAM中，CPU随时从双端口RAM中读取转换结果，大大提高系统的数据采集速度。

在某些控制系统中，其数据采集除了要满足最基本的精度和速度要求外，还必须在动态范围、分辨率等指标上满足要求。普通的高位数A/D在转换精度和速度上难以兼顾，例如目前市场上∑-Δ型串行输出24位A/D，其转换时间都在ms级，不能满足高速数据采集的要求，为了在较低成本的前提下仍能获得较高的动态范围和采集速度，设计中采用了基于CPLD控制的带浮点放大器的两级并行A/D转换方案，系统在小信号输入时放大较高的倍数，以增加A/D转换的有效位数，在大信号时放大较低的倍数，截断小量保证信号的主要部分，既保证了数据采集系统的动态测量范围，同时又兼顾到系统的采集精度和速度。

2 带浮点放大器的CPLD数据采集系统硬件设计

2.1 系统硬件整体框图

带浮点放大器的CPLD高速高精度数据采集系统硬件电路如图1所示，它由模拟信号输入调理电路、程控放大器PGA204、A/D 转换器ADS7800和ADS7805、双端口存储器IDT7134、数据采集时序控制器EPM7128等构成。

所需控制时序及地址译码等电路均由可编程逻辑器件EPM7128产生，CPLD通过编程用多种计数器、逻辑电路、时钟电路等组成的纯硬件子系统实现A/D的控制、转换、读取时序，不仅节省了PCB面积，减少了整个系统结构的复杂程度，提高了系统的可靠性。

图1　带浮点放大器的CPLD多通道数据采集系统硬件电路图

浮点放大器的结构如图1的上方虚线框内所示，主要由12位的预转换A/D转换器ADS7800、编码电路和程控增益放大器PGA204组成。首先，输入信号接入预转换电路，根据ADS7800的输出结果，由编码电路判断输入信号的范围，设定程控放大器的放大倍数（1、10、100、1000倍四个档）；程控放大电路主要是根据编码电路确定下来的增益码实现对输入信号的放大，在不超出16位A/D输入范围的前提下，尽量将信号放大足够的倍数，以扩大数据采集系统的动态范围，随后将放大适当倍数的模拟信号再送入16位A/D转换器。浮动的放大倍数称为“阶码”，16位A/D转换结果称为“尾码”，数据采集系统的输出结果由“阶码”+“尾码”组成，这类似于计算机中浮点数的表达方式，“浮点”放大器也因此得名。

系统采用了具有高速采集保持功能的转换器ADS7800，它支持双极性模拟量输入，输入范围±10V、±5V可选，内部具有时钟和电压参考，采样速率可高达333kHz，从而保证了信号分档的速度。美国BB公司出品的16位A/D芯片ADS7805具有如下突出特点：（1）自带采样/保持器，方便对交流信号的采样；（2）最高采样频率可达100kHz；（3）转换结果全16位并行输出，具有三态缓冲功能，与16位数据总线接口方便；（4）提供±10V的输入范围，与工业标准兼容；（5）单+5V电源供电，可方便地与其它芯片接口。

2.2 ADS7800和ADS7805的时序

图2　A/D转换器的工作时序图

2.3 系统工作流程

数据采集子系统的主要控制流程如下：输入信号接入ADS7800进行预转换；编码电路将ADS7800的12位转换结果，取其绝对值，并根据输入信号落在那个区间，确定程控放大器的增益，取得“阶码”；锁定增益数值，经适当放大后的信号送入A/D转换器ADS7805取得16位的有效“尾码”；将“阶码”和“尾码”送入双端口RAM保存；切换地址重复上述过程。

从上述过程可以看出时序逻辑控制电路必须保证两片A/D转换器的转换与结果存储、读取协调可靠有序地运行，时序控制电路应当自动生成A/D控制信号以及共享RAM的写入、地址等信号。

3 数据采集系统软件设计

运用VHDL硬件设计语言，采用状态机方法对CPLD进行编程实现流水控制。下面以对ADS7800和PGA204组成的浮点放大器的控制为例，CPLD简要程序如下：

ARCHITECTURE AD_CPLD OF adnew_test IS

PROCESS（clockin）

begin

if Reset=‘1’ then

RC12《=‘1’;

state《=s0;

elsif clockin‘event and clockin=’1‘ then

busy_12n1《=busy_12n2; --判断ADS7800的BUSY端是否上升沿

busy_12n2《=Busy12; --读取ADS7800的BUSY端状态

busy_12pd《=not busy_12n1 and busy_12n2;

case state is

when s0=》

RC12《=’1‘;

state《=s1;

when s1=》 --启动ADS7800

RC12《=’0‘;

state《=s2;

when s2=》

RC12《=’1‘;

state《=s3;

when s3=》

if busy_12pd=’1‘ then --ADS7800转换结束

Data_fw《=Data12_in; --读取ADS7800结果

state《=s4;

end if;

when s4=》 --转换结果取绝对值

if Data_fw》2047 then --》7FFH

Temp_fw《=Data_fw AND “011111111111”;

else

Temp_fw《=not Data_fw AND “011111111111”;

end if;

state《=s5;

when s5=》 --PGA204的增益控制

if Temp_fw《3 then

PGA_G《=“11”; --放大1000倍

else

if Temp_fw《20 then

PGA_G《=“10”; --放大100倍

else

if Temp_fw《200 then

PGA_G《=“01”; --放大10倍

else

PGA_G《=“00”; --放大1倍

end if;

end if;

end if;

state《=s0;

when others=》 --初始化状态;

state《=s0;

end case;

end if;

end PROCESS;

END AD_CPLD;

4 结束语

本文作者创新点：所设计的带浮点放大器的CPLD数据采集系统，其浮点放大器在小信号输入时放大较高的倍数，在大信号时放大较低的倍数，保证了数据采集系统的动态测量范围；双端口RAM作为A/D转换与CPU之间的桥梁，为高速数据吞吐提供了有力的硬件支持；CPLD具有大量I/O管脚和较强的带载能力，内部资源丰富、处理速度快， 可实现灵活多变的控制流程；结合以上几方面的优势，系统总体上实现了对输入模拟信号的高速、高精度数据采集。该系统已应用于本人参与设计的MSINS/GPS微小型组合导航系统中，已产生经济效益20余万元；该数据采集系统也可以广泛应用于需要宽输入范围、高精度、高采样速度和数据处理速度的智能仪器设计中，经济效益将会相当可观。

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