摘 要：隨著數(shù)字化生活的到來， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在日常生活中的應(yīng)用越來越顯著。模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換已成為計算機控制系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 以可編程邏輯器件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有時鐘頻率高，內(nèi)部延時小， 速度快， 效率高， 組成形式靈活等特點。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有極強的通用性， 可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和日常生活中。隨著計算機的普及， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在日常生活中的應(yīng)用越來越顯著。
由于基于DSP 芯片的高速電子器件成本和制作工藝，以及高密集的技術(shù)含量， 使得高速數(shù)據(jù)采集卡的價格昂貴。而復(fù)雜可編程邏輯器件( CPLD) 能夠?qū)⒋罅康倪壿嫻δ芗捎谝粋€單片集成電路中， 以其時鐘頻率高，內(nèi)部延時小， 速度快， 效率高， 組成形式靈活等特點在高速數(shù)據(jù)采集方面有著單片機和DSP 無法比擬的優(yōu)勢。
1 設(shè)計思路
該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)輸入單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)輸出單元三大部分組成。其中數(shù)據(jù)輸入單元是由狀態(tài)機控制ADC0809 實現(xiàn)。輸人信號可以是各種形式， 它可以是語音信號、調(diào)制后的電話信號、編碼的數(shù)字信號、壓縮的圖像信號， 也可以是各種傳感器輸出的信號。A/ D能將模擬信號變換成數(shù)字信號， 但必須滿足香農(nóng)采樣定理， 也就是為了保證不丟失信息的所有信息， 采樣頻率必須高于輸入信號最高頻率的2 倍。A/ D 變換后得到的數(shù)字信號輸人到CPLD 芯片; 再由CPLD 芯片對該數(shù)字信號進行各種數(shù)字信號算法的處理。經(jīng)過處理后的數(shù)字信號再經(jīng)過數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器ADC0832 將其輸出。
2 系統(tǒng)各部分的功能及實現(xiàn)
2. 1 數(shù)據(jù)輸入電路
數(shù)據(jù)輸入電路主要是由狀態(tài)機控制ADC0809 實現(xiàn)。其中START 為轉(zhuǎn)換控制信號， 高電平有效;ALE 是3 位通道選擇地址( ADDC， ADDB， ADDA ) 信號的鎖存信號， 高電平有效; EOC 是轉(zhuǎn)換情況狀態(tài)信號( 類似于AD574 的STA TU S) ， 當啟動轉(zhuǎn)換約100 s后， EOC 產(chǎn)生一個高電平， 以示轉(zhuǎn)換結(jié)束， 轉(zhuǎn)換期間一直處于低電平。一旦ST ART 有效后， 狀態(tài)信號EOC即變?yōu)榈碗娖剑?表示進入轉(zhuǎn)化狀態(tài)。轉(zhuǎn)換結(jié)束后， EOC將變?yōu)楦唠娖健E 為數(shù)據(jù)輸出允許信號， 當OE 為高電平時， 則控制打開三態(tài)緩沖器， 把轉(zhuǎn)換好的8 位數(shù)據(jù)結(jié)果輸至數(shù)據(jù)總線。其工作時序如圖1 所示。
圖1 ADC0809 工作時序圖。
對ADC0809 的工作過程分析可知：其工作處于6 個狀態(tài)。在狀態(tài)St1 中， ALE 高電平將ADC0809 的8 路采樣輸入通道地址存入ADC0809 地址鎖存器中。在狀態(tài)St3 中需要對ADC0809 工作狀態(tài)信號EOC 進行循環(huán)檢測， 如果為低電平， 表示轉(zhuǎn)換沒有結(jié)束， 仍需要停留在St3 狀態(tài)中等待， 直到EOC 變成高電平后才說明轉(zhuǎn)換結(jié)束， 在下一時鐘脈沖到來時轉(zhuǎn)向狀態(tài)St4。在狀態(tài)St4， 由狀態(tài)機向ADC0809 發(fā)出轉(zhuǎn)換好的8 位數(shù)據(jù)輸出命令， 這一狀態(tài)周期同時可作為數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定周期， 以便能在下一狀態(tài)中向鎖存器中鎖入可靠的數(shù)據(jù)。
在狀態(tài)St5， 由狀態(tài)機向CPLD 中的鎖存信號( LOCK的上升沿) ， 將ADC0809 輸出的數(shù)據(jù)進行鎖存。其采樣控制狀態(tài)圖如圖2 所示。
圖2 ADC0809 采樣控制狀態(tài)圖。
2. 2 數(shù)據(jù)處理電路
數(shù)據(jù)處理電路通過VHDL 程序?qū)崿F(xiàn)， 該電路的主要功能是對外部輸入信號進行循環(huán)檢測， 當k1 為1時， 該器件處于數(shù)據(jù)采集和處理模式。這里的數(shù)據(jù)處理就是對其輸入的數(shù)字信號進行擴大2 倍或縮小到原來的1/ 2， 其中fun 用來選擇輸入方式。在采集數(shù)據(jù)的時候還可以選擇所采數(shù)據(jù)是ADC0809 中的哪一路， 并完成在七段數(shù)碼器上顯示。其原理如圖3 所示。
圖3 數(shù)據(jù)處理原理圖。
2. 3 數(shù)據(jù)輸出電路
數(shù)據(jù)輸出電路由數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器DAC0832 實現(xiàn)，ADC0832 為8 位分辨率A/ D 轉(zhuǎn)換芯片， 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0~5 V之間。D/ A 轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。應(yīng)得到相應(yīng)的模擬電壓信號， 所以通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)。其連線如圖4 所示。
圖4 DAC0832 連線圖。
3 電路的VHDL描述：
數(shù)據(jù)采集控制電路、數(shù)據(jù)處理電路均是使用硬件描述語言VHDL ( Very High Speed Integr ated Circuit Hardw are Description Languag e) 設(shè)計而成。例如：數(shù)據(jù)采集控制模塊設(shè)計如下:
VHDL 語言具有多層次的電路設(shè)計描述功能， 既可描述系統(tǒng)級電路， 也可以描述門級電路; 描述方式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結(jié)構(gòu)描述， 也可以采用三者的混合描述方式。VHDL 語言的強大描述能力還體現(xiàn)在它具有豐富的數(shù)據(jù)類型， 采用VHDL語言描述硬件電路時， 設(shè)計人員并不需要首先考慮選擇進行設(shè)計的器件。這樣做的好處是可以使設(shè)計人員集中精力進行電路設(shè)計的優(yōu)化， 而不需要考慮其他的問題。當硬件電路的設(shè)計描述完成以后， VHDL 語言允許采用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn) 。
4 系統(tǒng)的波形仿真
在數(shù)據(jù)處理電路中， 當gate= ‘1’ ， 整個器件處于數(shù)據(jù)采集及處理模式， 選擇不同的工作方式， 即fun 值， 可實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理， 當do 為0 時， 其波形仿真如圖5所示。從仿真波形中可以看出輸入數(shù)據(jù)等于輸出數(shù)據(jù)，在通過輸出運放， 使輸出值增大2 倍， 從而使輸出數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)的2 倍。
圖5 數(shù)據(jù)處理的仿真波形。
在數(shù)據(jù)處理電路中， 當gate= ‘0’ ， 整個器件處于循環(huán)檢測的模式， 當輸入數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)值時就進行報警，即alm= %1 ， 當無輸入值大于預(yù)設(shè)值時， 就進行循環(huán)檢測。其波形仿真如圖6 所示。
圖6 循環(huán)檢測模式仿真波形。
5 結(jié) 語
設(shè)計了基于CPLD 的多路異步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 系統(tǒng)中使用狀態(tài)機控制數(shù)據(jù)的采集， 使用ADC0832 進行數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換。同時利用CPLD 強大的數(shù)字處理功能和高密集成的特點， 降低了硬件的成本， 簡化了電路設(shè)計，并配合軟件增加了系統(tǒng)的靈活性和可擴充性， 具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。