【doc】利用AD574A设计基于FPGA的高速数据采集系统

【doc】利用AD574A 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 基于FPGA的高速数据采集系统 利用AD574A设计基于FPGA的高速数据 采集系统 第27卷第2期 20l2年2月 宿州学院 JournalofSuzhouUniversity VO1.27,NO.2 Feb.2012 doi:10.3969/j.issn.1673--2006.2012.02.018 利用AD574A设计基于FPGA的高速数据采集系统 武时龙 1.山东理工大学计算机科学与技术学院,山东淄博,255049; 2.宿州职业技术学院计算机系,安徽宿州;234000 摘要:在分析FPGA数据采集控制系统结构与工作原理的基础上,利用AD574A作为控制器.构建了一种基于FP— GA的数据采集系统.该系统的核心电路,包含控制器,内嵌双口RAM,地址计数器3个模块,结合模数转换器件 AD574A构成高精度,快速采集,存储控制系统.可以通过单片机或DSP进行数据的后续处理.并在QuartusII平 台下实现FPGA内部3个功能模块,给出了时序仿真波形图. 关键词:FPGA;AD574A;控制器;时序仿真波形图 中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1673—2006(2012)02--o056一O3 在自动控制与 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 系统中,经常涉及到模拟信 号的采集与处理,一般的做法是使用单片机和其他 芯片将系统资源扩展进而实现期望的功能,但是这 种做法会使得外部电路规模和系统成本显着增加, 从而导致系统设计的复杂性,一般很难达到较高的 采样速度.设计基于FPGA的高速采样控制系统, 灵活方便,可以很大程度提高系统的整体性能. l系统构成及工作原理 本文所设计的数据采集控制系统结构与工作原 理如图1所示.该系统由FPGA采样控制模块构成 系统的核心电路,该模块主要由控制器 (Controller),内嵌双口RAM(Adram),地址计数器 (Addrcnt)等三部分构成.系统工作原理如下:控制 器(Controller)作用是对AD574A进行控制和对 Adram执行写入操作.地址计数器(Addrcnt)作用 分两种情况:(1)当计数器的清零端Cntclr为高电 平时,其输出为0;(2)当时钟Clkclr的上升沿到来 时,其开始计数,并提供存储地址保存采集数据.内 嵌双口RAM(Adram)的作用是在FPGA内部实现 的RAM,存储采集数据,与此同时外部设备(比如 DSP,单片机等)可以读入其数据,以做进一步处理. 在wren处于高电平时,采集数据就可以根据输入 地址保存在相应的存储单元之中. 2设计控制器(Controller)模块 2.1AD574A主要特点和工作时序图 作为一种带有三态缓冲器的快速12位逐次比 较式A/D转换芯片,AD574A可以直接与8位或I6 位微处理器相连.而不需要附加逻辑接口电路.其片 内有时钟脉冲源和基准电压源,也无需外接时钟和 参考电压等电路就可以正常工作.AD574A的转换 时间为25s.线性误差在土1/2LSB内.芯片内含 有逐次STS逼近式寄存器SAR,DAC转换电路,控 制逻辑,比较器及三态缓冲器等.采用单通道单极性 或双极性电压输入和28脚双立直插式封装. AD574A由12位A/D转换器,控制逻辑,三态输出 锁存缓冲器,10V基准电压源四部分构成,芯片具 有两种工作模式:单一工作模式和全速工作模式[1 (图1). 信号预处理 . l采样/保持 厂 ^Dtal2 ST^TOS I KI2—8 耋rdenl4----F.:~ 腓addrcnt 工一_=_= O_gFPGA采样控制 图l数据采集控制系统的原理结构 AD574A的封装形式双列直插式,共有28个引 脚(图2),其中,CS为片选信号,低电平有效;CE为 芯片允许信号,高电平有效;只有CS和CE同时有 效,AD574A才能工作.R/C为读出或转换控制信 号,用于控制ADC574A是转换还是读出.当为低电 收稿日期:2011-1l一25 作者简介:武时龙(1975一),安徽宿州人.在读硕士,讲师,主要研究方向:计算机应用. 56 洲西加 卜5唧加 平时,启动A/D转换;当为高电平时,将转换结果读 VL l2/8 CS A0 RIC CE Vcc REF0UT AG REFn,I VEE BIP0FF l0VIN 20VTN \/28 27 26 25 24 23 AD574A 2O l9 18 l7 l6 l5 图2引脚图 STS DBll DBl0 DB9 DB8 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DBl DB0 DG 出.12/8为数据输出方式控制信号,当为高电平时, 输出数据为12位;当为低电平时,数据是作为2个 8位字输出.A0转换位数控制信号,当为高电平时, 进行8位转换,为低电平时进行12位转换.其操作 功能见表1,相应的工作时序图见图3. 图3工作时序图 表l不同引脚状态组合实现的AD574A操作功能表 2.2控制器(Controller)模块功能实现 控制器(Controller)主要任务是对AD574A的 控制和对Adram执行写入操作,这里采用VHDL 语言来实现,VHDL是基于状态机的一种语言l2].图 3是AD574A的时序图,在此基础上可绘出控制器 (Controller)的状态机状态转换图l3],如图4所示. 图4控制器(Controller)模块的状态转换关系 通过对状态转换图的分析可看出,其5个状态 的关系如下: (1)S.初始化状态:AD574A尚未被选中,控制 输出状态分别为CS-----1,RC=1,CE=1,内部锁存信 号为lock:0; (2)S.启动A/D转换状态:AD574A芯片被选 中并开始启动A/D转换,控制输出状态分别为CS =0,RC=0,CE=1,内部锁存信号为lock一0; (3)S.采样等待状态:数据采样,控制输出状态 分别为CS一0,RC一0,CE:1,内部锁存信号为 lock一0; (4)S.数据输出有效状态:数据输出有效,控制 输出状态分别为CS一0,RC一1,CE:==1,内部锁存 信号为lock一1; (5)S采样数据锁存状态:采样数据锁存,控制 输出状态分别为CS一0,RC=1,CE一1,内部锁存 信号为lock一0[4]. 该模块利用VHDL语言来编程实现,并且在 MAX+PLUS?的环境进行仿真测试,图5为时 序仿真结果. 一一一丁=[一一一一丁=芒一一广 —— ?-1j——?—i——?— 寻-昂 :皿:1.唧.I.? 图5控制器(Controller)模块仿真结果 3设计内嵌双口(Adram) 内嵌双口RAM由基于参数可设置模块库 LPM(LibraryofParameterizedModules)实现,LPM 中包含较多典型电路模块,可以通过图形或硬件描 述语言的形式进行调用L5].在MAX+PLUSII中可 以很方便地调用LPM库函数,设计者既可以在直 接图形输入法中调用,也可以通过HDL源文件调 57 ?23456789 m儿H 用,从而提高IC设计的效率.通过采用LPM 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , 设计输入工具,综合工具],实现工具,对于同一个 逻辑功能在不同抽象层次的描述达成了统一【, LPM输入法具备与图形输入法同等的高效率.在 megafunction/storage库中提供3种RAM模块,分 另0为LPMRAMIO,LPMRAMDQ,LPM RAM— DP.其中LPM—RAMDP可用来构建双 端口RAM,将输入,输出完全分开,即数据输入时 使用输入地址总线,输出时使用输出地址线,这种 设计充分发挥CPLD/FPGA处理速度高,以及并行 处理的特点,进而提高数据的吞吐量.为实现设计要 求,LPMRAMDP各参数按图6设定L2]. 4设计地址计数器(Addrcnt) q[11.0] 图6LPM— RAM— DP参数设定 利用VHDL语言实现地址计数器(Addrcnt), 图7为其时序仿真. 5结束语 利用一种高性能的12位逐次逼进式A/D转换 l l listV山 筠O. 蠢《 亩O,nHH 亩|I~teh" 2固lr~l~M 器AD574A作为控制器,构建了一种基于FPGA的 数据采集控制系统.系统包含(1)内嵌双口,在FP— GA内部实现的RAM用于写入操作;(2)地址计数 器,用于提供存储地址保存采集数据.测试结果显 示,该系统不仅简化了电路,系统整体性能也得以提 升,具备高采样精度,高集成度,并且速度快,灵活性 强,可靠性高,易于升级与扩展. 图7Addrcnt模块仿真结果 [-43宁凡.一种新型的磁悬浮轴承磁场均匀性测试仪[J].现 参考文献: [1]林焯华,蒋梁中,姚锡凡,等.一个单片机串行数据采集及 传输模块的设计[J3.微计算机信息,2006(10):229—231 [23徐大沼.基于FPGA实现的AD1674高精度快速数据采 集系统口].兰州工业高等专科学校,2009(5):23— 25;33 [3]温淼文,何睿斯,裴丽.适用于光纤传感微弱信号检测的 A/D转换芯片接口电路设计[J].光电技术应用,2008 (3):37.41 代电子技术,2007(13):152—156 [5]梅笙,李玮.基于AT89C52的数控直流电流源设计EJ]. 电子测试,2007(Z1):41—46 [63聂海峰,李靖,孙茂华.基于USB接口微波湿度计地面检 测系统的实现EJ].微计算机信息,2006(6):卜3 [7]郑冰,王艳娜,程占昕,等.基于ARM10和winCE.net 的数采系统[J].微计算机信息,2007(2):171—172 E8]童中华,程耕国.基于单片机的便携远程多路数据采集系 统口].微计算机信息,2008(19):137—139 DesignofHigh—speedDataAcquisitionSystemBasedonFPGAUsingeAD574A WUShi—long' 1.CollegeofComputerScieneandTechrology,ShandongUniversityofTechrology,ZiboShandong,255049; 2.SuzhouVocationalandTechnologicalCollege,SuzhouAnhui,234000,China Abstract:Thispaperintroducesthecontrolsystemrealizationwithhigh— precisionrapiddatacollectionandstor— age,inwhichaFPGAisthecoreandsupplementedbythenecessaryAD574AADC.Besides,digitalsignalscan thenbeprocessedbythesingle— chipmicrocomputerorDSP.Thepaperfocusesontherealizationofthreefune— tionalmodulesconsisitedintheFPGAbasedonQuartusIIandgivesthetimingsimulationwaveforms. Keywords:FPGA;AD574A;controller;timingsimulationwaveform(责任编辑:武艳芹) 58