作者：皮代軍，張海勇，葉顯陽，秦水介

1 引言

在科學(xué)技術(shù)研究和工業(yè)生產(chǎn)的各行業(yè)中， 常常需要對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集， 如液位、溫度、 壓力、頻率等信息的采集。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展， 一些高性能的FPGA （Field Programmable Gate Array）和高速的A/D 應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 大大提高了系統(tǒng)的測量精度、數(shù)據(jù)采集處 理速度、數(shù)據(jù)傳輸速度等。本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用EP1K10TC100 FPGA 和單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集速度高、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

基于 FPGA 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體功能模塊如下圖1 所示。系統(tǒng)有由FPGA、串行被動(dòng) 配置模塊、USB 通信模塊、電源模塊、顯示模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等幾個(gè)模 塊組成。

主控芯片采用ACEX1K 系列的EP1K10TC100-3。ACEX 系列是當(dāng)今Altera CPLD 中應(yīng) 用前景最好的器件系列之一［1，2］，該系列的FPGA 由邏輯陣列塊LAB（Logic array block）、 嵌入式陣列塊EAB（embedded array block）、快速互聯(lián)以及IO 單元構(gòu)成，每個(gè)邏輯陣列塊 包含8 個(gè)邏輯單元LE（logic element）和一個(gè)局部互聯(lián)。每個(gè)邏輯單元?jiǎng)t由一個(gè)4 輸入查找 表（LUT）、一個(gè)可編程觸發(fā)器、快速進(jìn)位鏈、級連鏈組成，多個(gè)LAB 和多個(gè)EAB 則可通過快速通道互相連接［3］。EAB 是ACEX 系列器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一個(gè)重要部件，他是輸入 端口和輸出端口都帶有觸發(fā)器的一種靈活的RAM 塊，其主要功能是實(shí)現(xiàn)一些規(guī)模不太大的 FIFO、ROM、RAM 和雙端口RAM 等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用DAC0832。ADC0832 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨 率、雙通道A/D 轉(zhuǎn)換芯片，最高分辨可達(dá)256 級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi) 部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0“5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú) 立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過控制數(shù)據(jù)輸入端，可以 輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。

FPGA 的 I/O 口直接與DAC0832 連接［4］，通過VHDL 語言配置FPGA 芯片，以達(dá)到對 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換的時(shí)序控制。ADC0809 與FPGA 的連接電路比較簡單，只要把控制引腳 和數(shù)據(jù)輸出引腳連接到 I/O 口上。

3.2 串行被動(dòng)配置模塊

因?yàn)榛赟RAM 工藝FPGA 存在掉電易失性特點(diǎn)，所以配置模塊的主要是在每次上電 后對FPGA 進(jìn)行重新配置［4］。編程文件可以放在通用程序存儲器中， 在FLEX 器件上電后， 由芯片外部控制器自動(dòng)地從通用存儲器中讀出編程文件并送到FLEX 器件進(jìn)行配置， 數(shù)據(jù)傳 送方式可以為串行，也可以為并行。被動(dòng)串行（PS）配置模式的配置接口連接到芯片的5 個(gè) 引腳，分別為：nSTATUS、nCONFIG、CONF_DONE、DCLK、DATA0。 ICR 電路原理如圖2 所示。

ICR 控制電路的工作過程為：經(jīng)MAXPLUS II 編譯生產(chǎn)的配置文件（.sof）通過格式轉(zhuǎn)換 成為 （.rbf）。然后，通過PC 機(jī)的串行通信口，經(jīng)AT89C2051 單片機(jī)控制存儲在AT24C256 中。單片機(jī)再根據(jù)系統(tǒng)的要求，通過P1.2、P1.3、P1.4、P3.0 和P3.1 等5 個(gè)I/O 口，將其存 儲在AT24C256 中的配置數(shù)據(jù)下載到電路中的FPGA 器件中去。

3.3 USB 通信模塊

USB 接口芯片采用ISP1581。該芯片全面符合USB2.0 規(guī)范，具有高速的并行通用接 口，可在高速模式下工作，理論最高傳輸速度達(dá)到480Mbps［5］。除了控制端點(diǎn)外，ISP1581 還 有7 個(gè)輸入（ IN） 端點(diǎn)和7 個(gè)輸出（ OUT）端點(diǎn)。每個(gè)端點(diǎn)可以靈活配置數(shù)據(jù)傳輸方式以及數(shù) 據(jù)緩存區(qū)（ FIFO） 的大小， 端點(diǎn)FIFO 最大容量可以達(dá)到2KB。ISP1581 芯片在配置枚舉時(shí) 需要單片機(jī)固件的支持， 一旦正確完成了配置和驅(qū)動(dòng)加載， 單片機(jī)對于ISP1581 芯片就如同 普通存儲器一樣可以進(jìn)行讀寫操作， 以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

3.4 顯示模塊

LED 采用四位共陽極數(shù)碼管顯示。共陽極四位一體數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描工作方式，在 數(shù)碼管中每一位的字段位a、b、c、d、e、f、g 和dp 分別連接在一起，其工作原理與共陰 極數(shù)碼管工作原理一致，只不過共陽極輸入數(shù)碼管的發(fā)光電平（有效電平）是0，和共陰極 數(shù)碼管相反。在數(shù)碼管顯示電路中運(yùn)用了一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片74LS47，運(yùn)用這個(gè)驅(qū)動(dòng)主要解決如 下幾個(gè)問題：（1）電平正負(fù)轉(zhuǎn)換，（2）譯碼，可以節(jié)約I/O 口的占用。74 LS47 接受四位BCD 碼輸入，并通過7 個(gè)與/或門譯碼后輸出，用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，其輸出的低電平驅(qū)動(dòng)共陽極數(shù) 碼管，低電平輸出電流在24mA 以上。

3.5 電源模塊

該設(shè)計(jì)中內(nèi)核電壓和I/O 口電壓都采用2.5V.因?yàn)樵撔酒瑢﹄娫匆蠛車?yán)格，所以通過 穩(wěn)壓塊來實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。在該電路中通過一片1117-2.5 穩(wěn)壓塊由5V 轉(zhuǎn)化而來。電路連接便 捷簡單，輸出電流可以達(dá)到1A，基本上能滿足該系統(tǒng)的需求。

4 被動(dòng)串行配置程序設(shè)計(jì)

PS 配置方式的時(shí)序圖如圖3 所示。

配置前必須先設(shè)置該芯片EP1K10TC100-3 上的下載模式選擇引腳MSEL1、MSEL0。 設(shè)置方式：當(dāng)MSEL1＝0，MSEL0＝0 時(shí)系統(tǒng)為PS 或AS 模式當(dāng)MSEL1＝1， MSEL0＝0 時(shí)系統(tǒng)為PPS 模式，當(dāng)MSEL1＝1，MSEL0＝1 時(shí)系統(tǒng)為PPA 模式。在這里設(shè)置成使MSEL1 ＝0、MSEL0＝0 在PS 配置過程中：當(dāng)nCONFIG 產(chǎn)生下降沿脈沖時(shí)啟動(dòng)配置過程，在DCLK 上升沿， 將數(shù)據(jù)移入目標(biāo)芯片中。

在配置過程中，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦出錯(cuò)，nSTATUS 將被拉 低，系統(tǒng)識別到這個(gè)信號后，立即重新啟動(dòng)配置過程。配置數(shù)據(jù)全部正確地移入目標(biāo)芯片內(nèi) 部后，CONF_DONE 信號跳變?yōu)楦?，此后，DCLK 必須提供幾個(gè)周期的時(shí)鐘（具體周期數(shù) 與DCLK 的頻率有關(guān)），確保目標(biāo)芯片被正確初始化，進(jìn)入用戶工作模式。配置流程圖如圖 4 所示：

圖4 被動(dòng)串行配置流程圖

5 總結(jié)：

本文創(chuàng)新點(diǎn)： 系統(tǒng)采用ACEX1K 系列的EP1K10TC100-3 FPGA 作為控制和處理的核心， 簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)， 具有功耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)；采用基于微控制器的FPGA 器件的 ICR 控制系統(tǒng)，具有線路結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)容易、體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)；采用USB 與上位 機(jī)通信，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串口數(shù)據(jù)傳輸， 提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和可擴(kuò)展性，而且USB 可以總線 供電，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中耗電量小。

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