基于fpga的数据采集系统设计

基于fpga的数据采集系统设计内容摘要：

，具有灵活性和及时面市优势的 FPGA与 ASIC 相比更有竞争性，在数字 消费市场上的应用也急剧增加。 第一代 Cyclone 系列迄今发售了 3百多万片，在全球拥有 3,000 多位客户，对大批量低成本数字消费市场有着巨大的影响，该市场消纳了三分之一的器件。 根据 Gartner Dataquest 调查，显示 通信 系统时钟分频 A/D 转换 开始 . . 在 2020 年仅消费电子市场对 FPGA 需求就将达到 3亿 9千万美元， 2020 年，增加到11亿 6千万美元，年复合增长率 (CAGR)为 %。 同时， Cyclone II 器件系列也在电信、计算机外设、工业和汽车市场上获得了巨大的进步。 Cyclone II 器件包含了许多新的特性，如嵌入存储器、嵌入乘法器、 PLL 和低成本的封装，这些都为诸如视频显示、数字电视 (DTV)、机顶盒 (STB)、 DVD 播放器、 DSL 调制解调器、家用网关和中低端路由器等批量应用进行了优化。 Cyclone II 器件采用 TSMC90nm 低 K绝缘材料工艺技术，这种技术结合 Altera低成本的设计方式，使之能够在更低的成本下制造出更大容量的器件。 这种新的器件比第一代 Cyclone 产品具有两倍多的 I/O引脚，且对可编程逻辑，存储块和其它特性进行了最优的组合，具有许多新的增强特性。 Altera最近推出的 Nios II系列软核处 理器支持 Cyclone II FPGA系列。 Nios II系列软核处理器占用的逻辑仅需 美元，可以设计到 Cyclone II 器件中。 在Cyclone II FPGA中实现 Nios II的设计除了大幅度降低实现成本之外，还具 100DMIP的性能，大约比 Cyclone 器件和 Nios 处理器提升了 100%。 设计者使用 Nios II 处理器，能够在任何一个 Cyclone II 器件上构建完整的可编程系统芯片 (SOPC)，是中低规模 ASIC 的新的替代方案。 Altera 为配置 Cyclone II FPGA 提供了低成本 的串行配置器件。 这些串行配置器件定价为批量应用，成本是相应 Cyclone II FPGA 的 10%。 四个串行配置器件(1Mbit， 4Mbit， 16Mbit 和 64Mbit)提供了节省空间的 8 脚和 16脚 SOIC 封装。 器件中任何不用于配置的存储器可用于一般存储，进一步增强其价值。 Altera也为 Cyclone II器件客户提供了 40多个可定制 IP核， Altera和 Altera Mega function 伙伴计划 (AMPPSM)合作者提供的不同的 IP 核是专为 Cyclone II 架构优化的，包括： Nios II 嵌入 式处理器； DDR、 SDRAM 控制器； FFT/IFFT； PCI编译器； FIR 编译器； NCO 编译器； POSPHY 编译器； Reed Solomon 编译器； Viterbi 编译器等等。 输入电路 输入电路由多路开关和电位器组成，电位器调节多路开关的输出电压，使其在 0 到。 电位器的两端分别接 GND和 VCC,中间的引脚接多路开关的输入通道，当电位器调节到最小电阻时，输入到 CD4051 的通道电压最大；. . 当电位器调节至最大电阻时，输入到 CD4051 的通道电压最小。 输入电路的原理图如图 所示。 图 输入电路原理图 ADS7822 ADS7822 是美国 BB（ TI）公司推出的一种高性能 12 位 A/D 转换器， ADS7822 的引脚排列 如 图。 它具有如下特点： （ 1） 采样频率可达 75kHz； （ 2） 单电源供电，可以在 ～ 电源电压下工作； （ 3） 微功耗 ： 采样速率为 75kHz 时为 m W； 时为 W； （ 4） 体积小 ； （ 5） 模拟信号可单端或差分输入。 图 ADS7822引脚排列图 Vref： 参考电压输入端。 . . + In： 模拟信号输入同相端。 In： 模拟信号输入反相端 ,与地或远端传感信号参考点相连。 GND： 电源地。 CS/SHDN： 片选端 ,低电平时片选有效 ； 高电平时芯片工作在掉电模式。 Dout： 串行数据输出端。 串行输出数据由 12 位组成。 转换时 ,数据在 DCLOCK的下降沿有效 ,在 CS下降沿后的第二个时钟脉冲允许串行数据输出 ,经一个无效位后输出的是 12 位有效数据。 DCLOCK： 数据 时钟端。 它是典型的逐次逼近型 A/ D 转换器。 当 CS 变为低电平时 ,开始一次 A/ D 转换。 来自输入端的差分信号经采样保持并送转换电容阵列比较后将其结果送入逐次逼近寄存器。 工作时需外部提供参考电压 Vref 和电源 +VCC。 ADS7822 的内部结构如图 所示。 图 ADS7822 的内部结构 它是典型的逐次逼近型 A/ D 转换器。 当 CS变为低电平时 ,开始一次 A/ D 转换。 来自输入端的差分信号经采样保持并送转换电容阵列比较后将其结果送入逐次逼近寄存器。 工作时需外部 提供参考电压 Vref和电源 +VCC。 芯片采用三线制串行接口与微控制器相连。 当前转换结果在 DCLOCK的同步下由Dout 端逐位的输出 ,每个数据位在 DCLOCK的下降沿被传输 ,转换时序如图。 . . 图 ADS7822 转换时序图 具体转换过程如下 ： CS的下降沿启动一次转换和数据传输 ,转换周期的 ～ 输入信号。 DCLOCK的第二个下降沿后 ,Dout输出允许 ,将先输出一个时钟的低电平 ,接下来的 12个时钟周期 ,Dout输出当前转换结果 ,先是最高位 MSB(B11) 在前 ,依次传送 ,最后是最低位 LSB(B0)； 当 LSB 输出后 ,接下来是 B1位 ,并以低位在先的顺序重复输出直至 B11,当 B11再次输出后 ,DOUT 变为高阻态。 接下来的时钟对转换器无影响 ,只有当CS再一次从高到低跳变才开始一次新的转换。 ADS7822 的使用注意事项 : （ 1）参考电压的范围为 50 mV～ + Vcc ,其大小直接决定了模拟输入信号的范围。 当 Vref = 时 ,差动输入的最大值也为。 当外部基准电压降低时 ,对应 A/ D 转换器内部的失调增益误差也将增大 ,同时固有噪声也增大。 （ 2）模拟信号输入模拟输入端有 2 个 ： + In 和 In。 为了保证转换的线性度 , + In 输入端的输入范围为 GND V～ Vcc + V , In 的输入范围为 GND V～GND + 1 V。 （ 3）外部时钟频率的大小决定了 A/D 转换器的转换速率 ,10kHz 时对应的转换率625Hz , 75kHz。 时钟的占空比最好为 1/2 ,最小时钟周期必须大于 400ns。 ADS7822在数据采集系统中的应用 数据采集系统要实现的 是把外电路输入的电压显示在上位机上， ADS7822的需要完成的任务 是模数转换 ，上位机与 FPGA之间通过串口通信， 12位的二进制数被“截去”. . 低 4位 ,被传送的高 8位数据在上位机上，通过 Labview软件实现十进制电压的显示。 ADS7822的电路原理图如图。 图 ADS7822电路原理图 多路模拟开关 CD4051 CD4051 是单 8 通道数字控制模拟电子开关，有 A、 B 和 C 三个二进制控制输入端以及 INH 共 4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。 幅值为 ～ 20V 的数字信号可控制峰值至 20V 的模拟信号。 例如，若 VDD=+5V， VSS=0， VEE=，则 0～5V的数字信号可控制 ～ 的模拟信号。 这些开关电路在整个 VDDVSS和VDDVEE 电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。 当 INH 输入端 =“ 1”时，所有的通道截止。 只有当 INH=0 时，三位二进制信号才可以选通 8 通道中的一个通道，连接该输入端至输出。 其中 VEE 可以接负电压，也可以接地。 当输入电压有负值时， VEE 必 须接负电压，其他时候可以接地。 CD4051 相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的 3位地址码 ABC 来决定。 此外， CD4051 还设有另外一个电源端 VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS 电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达 15V 的交流信号。 引脚功能表 如表 ，真值表如表 ， 引脚排列如图 ， CD4051 的电路连接图如图 所示。 . . 表 引脚功能表 表 CD4051 真值表 图 引脚排列图 . . 图 CD4051 电路连接图 显示电路 74LS138 当一个选通端（ E1）为高电平，另两个选通端（ (/E2))和 /(E3)）为低电平时，可将地址端（ A0、 A A2）的二进制编码在 Y0 至 Y7 对应的输出端以低电平译出。 比如： A2A1A0=110 时，则 Y6输出端输出低电平信号。 74LS138 引脚如图 所示，真值 表 如表 所示。 图 74LS138 引脚图 . . 表 74LS138 真值表 74HC245 74HC245 总线驱动器，典型的 TTL 型三态缓冲门电路。 由于单片机等 CPU的数据 /地址 /控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。 74HC245 引脚图和真值表如图 和 表 所示。 图 74HC245 引脚图 第 1脚 DIR，为输入输出端口转换用， DIR=“ 1”高 电平时信号由 “ A” 端输入 “ B”端输出， DIR=“ 0” 低电平时信号由 “ B” 端输入 “ A” 端输出。 第 2~9脚 “ A” 信号输入输出端， A1=B、 A8=B8， A1与 B1是一组，如果DIR=1,OE=“ 0” 则 A1输入 B1输出，其它类同。 如果 DIR=“ 0” ,OE=“ 0” 则 B1输入 A1输出 ,其它类同。 第 11~18脚 “ B” 信号输入输出端，功能与“ A”端一样，不在描述。 . . 第 19脚 OE，使能端，若该脚为 1时， A/B端的信号将不导通，只有为“ 0”时 A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。 第 10脚 GND， 电源地。 第 20脚 VCC，电源正极。 图 74HC245内部结构图 七段数码管 七段数码管 （ Sevensegment display）为常用显示数字的 电子元件。 因为借由七个发光二极管以不同组合来显示数字，所以称为七段数码管，而七划旁的点为它的“第八划”。 图 图 . . 一般的七段数码管拥有八个发光二极管用以显示十进制 0至 9的数字，也可以显示英文字母，包括十六进制中的英文 A至 F（ b,d 为小写，其他为大写）。 现在大部份的七段数码管会以 斜体 显示。 七段数码管能够显示十六进制的数字，七段数码管由四个直向、三个横向及右下角一点的 发光二极管 组成，由以上 8条发光体组合出不同的数字。 除七段数码管外，还有十四及十六划的显示器，但现在已被 点阵 显示器（ Dotmatrix）所取代。 七段数码管分为 共阳极 及 共阴极 ，共阳极的七段数码管的 正极 （或阳极）为八个 发光二极管 的共有正极，其他接点为独立发光二 极管的 负极 （或阴极），使用者只需把正极接电，不同的负极接地就能控制七段数码管显示不同的数字。 共阴极的七段数码管与共阳极的只是接点方法相反而已。 显示电路 发光二极管 （ LightEmitting Diode，简称 LED）是一种能发光的 半导体 电子元件。 这种电子元件早在 1962 年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至 今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。 而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着白光发光二极管的出现而续渐发展至被用作照明。 LED 只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压），当电流流过时，电子与电洞在其内重合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意渗入的元素杂质有关。 具有。