基于FPGA的多通道串行A/D轉(zhuǎn)換器的控制器設(shè)計(jì)

?引言

　　隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，越來越多的電子應(yīng)用由模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，而A／D轉(zhuǎn)換器為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的界面，承擔(dān)著模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號的任務(wù)，在一些多路信號采集系統(tǒng)和實(shí)時數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，A／D轉(zhuǎn)換的多路擴(kuò)展、高精度、低成本、實(shí)時性顯得越來越重要。在一般信號采集系統(tǒng)中，由單片機(jī)或微控制器對高精度A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，通常采用軟件模擬A／D轉(zhuǎn)換器時序的方法。因此增加了CPU的負(fù)擔(dān)，降低了CPU的工作效率，在多片A／D轉(zhuǎn)換器多通道擴(kuò)展應(yīng)用中，降低了信號采集的實(shí)時性。

　　現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field ProgrammableGate Array)是20世紀(jì)80年代中期在PAL，GAL等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種可編程邏輯器件，其特點(diǎn)是高集成度、高速和高可靠性，設(shè)計(jì)人員可以現(xiàn)場修改器件的邏輯功能。VHDL(VHSIC Hardvcare Description Language)是目前通用的硬件描述語言之一，可用來描述一個數(shù)字電路的輸入、輸出以及相互間的行為與功能。

　　FPGA的高集成度和高速的特性，使之相對于單片機(jī)和微控制器，更適合用于對高速A／D器件的采樣控制。本文設(shè)計(jì)一種基于FPGA的高速串行輸入／輸出A／D轉(zhuǎn)換器的控制器，該控制器完成對ADS7844芯片的采樣控制，提高了采樣的實(shí)時性、減輕了主CPU的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

　　2 ADS7844功能介紹

　　ADS7844是Burr_Brown公司推出的一種高性能、寬電壓、低功耗的12 b串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它有8個模擬輸入端，可用軟件編程為8通道單端輸入A／D轉(zhuǎn)換器或4通道差分輸入A／D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換率高達(dá)200 kHz，而線性誤差和差分誤差最大僅為±1 LSB。ADS7844在電源電壓為2.7～5 V之間均能正常工作，最大工作電流為1 mA，進(jìn)入低功耗狀態(tài)后的耗電僅為3μA。ADS7844通過6線串行接口與CPU進(jìn)行通信，接口簡單方便。

　　2.1 ADS7844的引腳功能

　　CH0～CH7：模擬輸入端，當(dāng)器件被設(shè)置為單端輸入時，這些引腳可分別與信號地COM構(gòu)成8通道單端輸入A／D轉(zhuǎn)換器；當(dāng)器件被設(shè)置為差分輸入時，利用CH0-CH1，CH2-CH3，CH4-CH5，CH6-CH7可構(gòu)成4通道差分輸入A／D轉(zhuǎn)換器；

　　COM：信號地；

　　Vref：參考電壓輸入端，最大值為電源電壓；

　　CS：片選端、低電平有效、該腳為高電平時，其他數(shù)字接口呈三態(tài)；

　　Dclk：外部時鐘輸人端，在時鐘作用下，CPU將控制字寫入ADS7844，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果從中讀出；

　　Din：串行數(shù)據(jù)輸入端，在片選有效時，控制字在Dclk上升沿被逐位鎖入ADS7844；

　　Dout：串行數(shù)據(jù)輸出端，在片選有效時，轉(zhuǎn)換結(jié)果在DcIk的下降沿開始被逐位從ADS7844移出；

　　BUSY：“忙”信號輸出端，在接收到控制字的第一位數(shù)據(jù)后變低，只有在轉(zhuǎn)換結(jié)束且片選有效時，該腳才輸出一個高脈沖；

　　SHDN：電源關(guān)閉端、低電平有效。當(dāng)SHDN為低電平時，ADS7844進(jìn)入低功耗狀態(tài)；

　　Vcc，GND：分別為電源端和數(shù)字地。

　　2.2 ADS7844的控制字及轉(zhuǎn)換時序

　　ADS7844的控制字如表1所述。

　　ADS7844的控制字共有8位，其中S是起始位，控制字的起始位總為“1”。A2～A0是通道選擇位，在單端輸入時分別對應(yīng)8個通道，而對于差分輸入，000～011分別對應(yīng)CH0-CH1，CH2-CH3，CH4-CH5，CH6-CH7，而100～111則分別對應(yīng)CH0-CH1，CH1-CH0，CH3-CH2，CH5-CH4，CH7-CH6。Bit3沒有定義。SGL／DIF是模式控制位，該位為“1”時是單端輸入模式，為“0”時是差分輸入模式。PD1和PD0是電源關(guān)閉模式控制位，若為“00”，則表示ADS7844在不進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時自動進(jìn)入電源關(guān)閉模式，若為“11”，芯片則始終處于電源開啟模式。

　　ADS7844有多種轉(zhuǎn)換時序，基本時序如圖1所示。

　　從圖1中可見，一個轉(zhuǎn)換周期需要24個時鐘周期，其中8個用于輸入控制字，16個用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果?？刂谱值乃形辉跁r鐘上升沿被鎖入芯片，轉(zhuǎn)換結(jié)果在時鐘的下降沿被逐位移出。所有移人和移出的數(shù)據(jù)都是高位在前、低位在后。需要說明的是，ADS7844是12位A／D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換結(jié)果只有12位，故在移出12位結(jié)果后，還需送入4個時鐘來完成整個轉(zhuǎn)換過程，這4個多余的時鐘移出的數(shù)據(jù)為“0”，使用時不應(yīng)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果處理。

　　3 ADS7844控制器的設(shè)計(jì)

　　用FPGA設(shè)計(jì)的采樣控制器AD_CONTROLLER與ADS7844的接口電路如圖2所示，基本時序如上所述。

?????? AD_CONTROLLER的輸入時鐘取12 MHz，經(jīng)內(nèi)部4分頻后輸出至ADS7844的CLK引腳。cs_all為來自CPU的啟動信號，當(dāng)其為低時AD_CONTROLLER開始工作。addr[3..0]為對應(yīng)的ADS7844的通道地址，data[15..0]為某地址所對應(yīng)通道的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)某一通道轉(zhuǎn)換結(jié)束，oe信號由低電平變?yōu)楦唠娖讲⒊掷m(xù)1個周期。

　　AD_CONTROLLER主要由分頻模塊(fq)，A／D轉(zhuǎn)換周期形成模塊(fq_cs)；A／D轉(zhuǎn)換器片選信號模塊(cs_pulse)；通道地址及控制字形成模塊(addr_1)；A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出模塊(from_ad)和控制字移位輸出模塊(to_ad)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　取FPGA工作頻率10 MHz，經(jīng)分頻器4分頻得2.5 MHz作為A／D轉(zhuǎn)換器的時鐘。分頻器通常用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，各VHDL教材上都已詳細(xì)講述，這里不再贅述。信號cs每隔28個clk1時鐘周期發(fā)出1個clk1周期的高電平脈沖并轉(zhuǎn)換1次模擬輸入通道，28個cIk1周期中，A／D轉(zhuǎn)換器片選cs_ad信號占用4個周期，控制字的串行輸出(di)占用8個周期，ADS7844芯片由Din引腳接收到控制字后，在下一個周期的下降沿開始將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)串行輸出至Dout引腳，由from_ad模塊進(jìn)行串／并轉(zhuǎn)換并輸出(data[15..0])，此串并轉(zhuǎn)換需16個周期。信號stld的下降沿將由狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生的控制字(control_word[7..0])鎖存入to_ad模塊內(nèi)部的并／串移位寄存器(74165)，經(jīng)過8個周期后控制字由di引腳輸入ADS7844芯片。cs脈沖的產(chǎn)生由計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，這里不做詳細(xì)介紹。cs_ad片選信號通過cs_ad模塊將cs信號展寬2個周期而得到，其電路結(jié)構(gòu)如下：

　　電路由1個計(jì)數(shù)器(cs_wide)、前沿D觸發(fā)器(inst6)和后沿D觸發(fā)器(inst3)組成。當(dāng)cs信號上升沿到時，inst6觸發(fā)，cs_ad置高電平。2個周期后，inst3由下降沿觸發(fā)輸出高電平，反相后將inst6和計(jì)數(shù)器cs_wide清零，同時cs_ad輸出低電平。由此看出，cs_ad的信號正是cs信號經(jīng)過2個周期展寬后得到。

　　通道地址及控制字形成模塊(addr_1)可以實(shí)現(xiàn)所需的各種輸入模式，并產(chǎn)生通道地址和控制字，以單端輸入模式為例，VHDL代碼如下：

　　這里用雙進(jìn)程的有限狀態(tài)機(jī)(FSM)來設(shè)計(jì)通道地址產(chǎn)生器。當(dāng)addr＜=“0000”時表示沒有通道被選擇，ADS7844沒有工作；當(dāng)addr＜=“0000”時表示通道1被選擇，依次類推。

4 計(jì)算機(jī)仿真分析

　　用Quartus Ⅱ 6.0進(jìn)行分析綜合、布局，共占用Altera cyclone FPGA 59個LE(logic elements)，波形仿真如圖5所示。

　　圖5中elk的周期為100 ns，clk1為系統(tǒng)時鐘4分頻后的工作時鐘，當(dāng)cs_all為低電平時，AD_CONTROLLER開始工作。由狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生的控制字(10000100)在stld的下降沿被鎖存入移位寄存器，當(dāng)cs_ad由高變低時，控制字被逐位移出至di端口。在此，假設(shè)當(dāng)ADS7844接收到控制字并由ad_do端口逐位移出1通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)1000000000010000，經(jīng)過16個周期后oe由低變高，oe的下降沿可以將移入寄存器的數(shù)據(jù)鎖存。由圖5可見，仿真波形與ADS78414控制波形一致，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

　　5 結(jié) 語

　　本試驗(yàn)用于混合動力汽車電池管理系統(tǒng)電池電壓、電流信息采集部分。電池管理系統(tǒng)通常采用雙單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，一個單片機(jī)完成電池信息采集功能，另外一個單片機(jī)完成電池SoC(State of Charge)計(jì)算及人機(jī)交互功能。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。為解決這一問題，該A／D控制器被封裝成基于Avalon總線的自定義IP核，應(yīng)用于Altera公司FPGA所支持的NIOS Ⅱ嵌入式系統(tǒng)中，NIOS Ⅱ軟核CPU僅在A／D控制器引起的中斷服務(wù)程序中讀取采集到的數(shù)據(jù)，這樣大大提高了采集速度和CPU的效率，使得有更多的CPU資源應(yīng)用于SoC計(jì)算和人機(jī)交互。這種基于SoPC(Systemon Programmable Chip)的電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、可靠性大大提高。

　　FPGA用來設(shè)計(jì)控制電路有很多優(yōu)點(diǎn)。FPGA不僅可進(jìn)行任意次編程，而且用戶可以借助開發(fā)工具快速編程、編譯、優(yōu)化、仿真直到最后芯片制作。高集成性使得用戶可以利用硬件描述語言及開發(fā)工具在單片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯電路和片上系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)性能、減小了電路面積、降低了成本。高速性有效地解決模擬控制的精度與數(shù)字控制的速度之間的矛盾。隨著FPGA性能的提高和成本的降低，以FPGA為基礎(chǔ)的數(shù)字電路和SoPC(Systam on ProgrammableChip)代表了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向，F(xiàn)PGA將應(yīng)用得越來越廣泛。