1 引言
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率、分辨率、精度、接口及抗干擾能力等提出越來越高的要求。
ADl871是目前市場上動態(tài)范圍、采樣速率和采樣精度等指標(biāo)都很突出數(shù)據(jù)的一款24位 ADC，它的推出為設(shè)計(jì)高速、高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種較好的解決方案。由于其輸出為串行輸出，當(dāng)其和MCU直接相連時，會使采樣系統(tǒng)的采樣速率大大降低。
如果MCU的I/O端口的實(shí)際最高速率是1MHz(單片機(jī)的速率通常是這個數(shù)量級)，那么I/O端13傳輸1Bit的最短時間間隔為1μs，當(dāng)ADl871輸出2路各24Bit時，需要實(shí)際串行輸出64Bit，故采樣速率下降為1MHz/64=15.625kHz，這個速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADl871的96kHz，另外，單片機(jī)把64位串行數(shù)據(jù)再處理為2個24位的并行數(shù)據(jù)時，速度會進(jìn)一步降低。
為此，筆者采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設(shè)計(jì)了ADl871和MCU之間的接口，由FPGA完成對ADl871的控制，并將其輸出的串行數(shù)據(jù)在FPGA的內(nèi)部變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，并行后的數(shù)據(jù)以8位或12位為一組發(fā)給MCU。由于FPGA的實(shí)際傳輸速率可以滿足和ADl871的傳輸速率要求，故上述“瓶頸”得以解決。
2 接口設(shè)計(jì)
2．1 時鐘設(shè)計(jì)
圖1示出A/D轉(zhuǎn)換器的輸入時鐘設(shè)計(jì)，MD轉(zhuǎn)換器工作在從模式下時，需要外部提供RLCLK和BCLK。在主時鐘MCLK的輸入下，通過對MCLK 4分頻得到BCLK的信號，用來作為位數(shù)據(jù)提取的信號。RLCLK是通過對BCLK的32分頻得到的，用來區(qū)分左右通道的數(shù)據(jù)，同時輸出EN信號作為后續(xù)處理的同步信號。
2．2 接口設(shè)計(jì)
在圖2中，輸入為MCLK(主時鐘)、RESET(啟動信號)和SHIFTIN(A/D輸出數(shù)據(jù))，輸出為RL(左右?guī)盘?、BCLK(A/D數(shù)據(jù)位時鐘)，TXT(并行數(shù)據(jù)讀取控制)和SHIFTOUT(并行數(shù)據(jù)輸出)。通過時鐘控制輸出BCLK和 RLCLK到AD1871，AD1871傳出數(shù)據(jù)SHIFTIN進(jìn)入SHIFT模塊，SHIFT模塊在正確的位時鐘下讀取SHIFTIN的輸入數(shù)據(jù)，并進(jìn)行串，并轉(zhuǎn)換，之后輸出8位或12位的數(shù)據(jù)。同時輸出TXT并行數(shù)據(jù)讀取控制。
2．3 SHIFT模塊程序
- Emity shifill is
- PORT(BCLK：IN STD_LOGIC；一輸入的BCLK位信號
- CR ：IN STD_LOGIC；--輸入的使能信號
- SHIFTIN：IN STD_LOGIC：--AD輸入的串行信號
- RLEN：IN STD_LOGIC；--輸入的RLCLK使能，幀對準(zhǔn)信號
- TXTS：OUT STD_LOGIC；--8位的組信號輸出控制信號
- sddddd：OUT STD_LOGIC_VECTOR (7DOWNTO 0)； --8位并行信號輸出)；
- end shift11：
- architecture Behavioral of shift11 is
- SIGNAL TEMPDATE：STD_LOGIC_VEC—TOR(8 DOWNTO 0)；
- SIGNAL TEMPO11：STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO 0)：=“00000000”；
- SIGNAL Q：INTEGER RANGE 0 T0 7；
- 一并行信號計(jì)數(shù)8位產(chǎn)生一個脈沖；
- SIGNAL Q4：INTEGER RANGE 0 TO 3；
- --有用信號選擇，選擇32位中的24位；
筆者用MaxPlus II對以上設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真后得到圖3所示的時序圖，完全滿足設(shè)計(jì)要求，從圖3可以看出串行輸入的數(shù)據(jù)(shiflin)變成并行的數(shù)據(jù)(shiftout) 輸出，在此過程中數(shù)據(jù)延時8個周期，每個txts的上升沿提取數(shù)據(jù)能保證數(shù)據(jù)的正確性。因?yàn)閺臄?shù)據(jù)的變動到txts的上升沿有400ns，大于FPGA的數(shù)據(jù)建立時間(25ns~50ns)，可以保證提取數(shù)據(jù)的正確性。
3 小型采樣系統(tǒng)
圖4示出采用ADl871構(gòu)成的采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)在1個FPGA上實(shí)現(xiàn)，分為3部分：并轉(zhuǎn)換模塊；ADC控制和配置；UART通信。
具體的功能是實(shí)現(xiàn)ADC的初始化、信號的采集存儲及UART通信。
工作原理是由ADC控制模塊來接收PC的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)控制數(shù)據(jù)到ADC，對ADC的工作狀態(tài)進(jìn)行配置。完成后ADC采樣并儲存在FIFO中，通過控制向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。
從仿真結(jié)果看，整個系統(tǒng)的工作正常，說明接口設(shè)計(jì)的正確性和可行性。
4 結(jié)束語
由ADl871構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、高信噪比等特點(diǎn)，特別適用于高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。∑-△型ADC具有抗干擾能力強(qiáng)、量化噪聲小、分辨率高、線性度好、轉(zhuǎn)換速度較高、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越多地受到電子產(chǎn)品用戶及設(shè)計(jì)人員的重視。解決這類ADC的接口問題在實(shí)際設(shè)計(jì)中具有重大意義。筆者設(shè)計(jì)的接口使單片機(jī)從接收數(shù)據(jù)的困境中解脫出來，大大提高了單片機(jī)的采樣速率，原來處理一幀數(shù)據(jù)需要讀64次，現(xiàn)在只需要6次，在12位輸出的情況下只需要4次，也就是說采用FPGA后單片機(jī)的I/O口可以達(dá)到1MHz/6=166．66kHz 的采樣速率，大大超過了96kHz的采樣速率，使單片機(jī)有時間對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些處理。