孫炎輝 丁紀(jì)峰

摘 要:設(shè)計(jì)以FPGA為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集控制模塊,克服傳統(tǒng)的以單片機(jī)或DSP作為控制器帶來的采集速度和效率上的瓶頸,同時(shí)顯示部分創(chuàng)新性地采用了VGA標(biāo)準(zhǔn)接口,大大提高了顯示系統(tǒng)的兼容性。設(shè)計(jì)的控制模塊主要由四個(gè)部分組成:數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)緩存部分、按鍵控制部分和圖形顯示部分。在設(shè)計(jì)過程中,用VHDL語言來編寫程序,利用Max+PlusⅡ軟件對各模塊進(jìn)行仿真。從仿真結(jié)果可以看出,該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和采集結(jié)果的便捷顯示,達(dá)到了作為數(shù)據(jù)采集主控模塊對外圍電路的良好控制。

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)采集;FPGA;VGA;狀態(tài)機(jī)

中圖分類號(hào):TP332

0 引 言

數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)是對生產(chǎn)過程或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中各種物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、測試和反饋控制的閉環(huán)控制,它在工業(yè)控制、軍事電子設(shè)備、醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)等許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其中,數(shù)據(jù)采集部分尤為重要,而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通常采用單片機(jī)或DSP作為控制器,用以控制ADC、存儲(chǔ)器和其他外圍電路的工作,使得采集速度和效率降低。近年來,微電子技術(shù),如:大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。從而使器件向模塊化和單片化發(fā)展,使所用軟件均向?qū)崟r(shí)高級(jí)語言和軟件模塊化發(fā)展,接口向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。由于 FPGA時(shí)鐘頻率高,內(nèi)部延時(shí)小,全部控制邏輯均由硬件完成,速度快,效率高,同時(shí)它有非常強(qiáng)大的硬件描述語言和仿真工具,方便檢驗(yàn)結(jié)果的正確性。基于以上考慮,在設(shè)計(jì)中采用FPGA作為控制處理器。而VGA接口的設(shè)計(jì),更突出了該模塊的兼容性,更易于采集數(shù)據(jù)的直觀表現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

完整的數(shù)據(jù)采集過程通常由數(shù)據(jù)的通道選擇、采樣、存儲(chǔ)、顯示構(gòu)成,有時(shí)也要對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。其?控制模塊起到了核心作用,他作為控制信號(hào)產(chǎn)生和處理的中樞對這些外圍電路進(jìn)行著實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理。

設(shè)計(jì)過程中采用FPGA作為控制器,完成對A/D轉(zhuǎn)換器的控制,并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一定的存儲(chǔ)單元,通過VGA接口協(xié)議,最后在顯示器上顯示。

具體涉及的外圍電路中,數(shù)據(jù)采集部分主要應(yīng)用ADC0809 作為數(shù)據(jù)采集芯片,對輸入的模擬量進(jìn)行〢/D轉(zhuǎn)換;數(shù)據(jù)緩存部分應(yīng)用6116作為存儲(chǔ)芯片,用來緩存0809采集的數(shù)據(jù);按鍵控制部分利用8個(gè)按鍵來控制0809的轉(zhuǎn)換通道選擇;圖形顯示部分輸出標(biāo)準(zhǔn)的VGA信號(hào),使用CRT顯示器,以顯示實(shí)時(shí)波形。

由于在設(shè)計(jì)中對外部器件進(jìn)行控制的控制器都是由FPGA完成的,FPGA的工作量很大,因此所采用的FPGA芯片為FLEX系列中30萬門的EPF10K30。

2 基于FPGA的主控模塊的實(shí)現(xiàn)

通過一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換控制器產(chǎn)生對ADC0809的控制信號(hào)。啟動(dòng)ADC0809之后,隨即就會(huì)按照一定頻率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。同時(shí)通過一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)將數(shù)據(jù)鎖存到A/D轉(zhuǎn)換控制模塊中。這個(gè)鎖存信號(hào)將作為RAM控制器寫輸入控制信號(hào)。

當(dāng)RAM讀寫控制器的寫控制信號(hào)有效之后,將開啟RAM的寫使能有效信號(hào),將采集到的數(shù)據(jù)寫入RAM的第600個(gè)地址單元中,然后RAM控制器將RAM中的數(shù)據(jù)向上移動(dòng)┮晃,移動(dòng)完之后,產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)更新完畢信號(hào),之后才通過內(nèi)部的一個(gè)控制信號(hào),允許從RAM讀出數(shù)據(jù)。

若RAM中讀數(shù)據(jù)使能,每當(dāng)VGA顯示控制器發(fā)出一個(gè)讀數(shù)據(jù)命令時(shí),RAM讀寫控制器便開啟RAM的讀有效信號(hào),讀出RAM 中的數(shù)據(jù),并且通過VGA控制器的時(shí)序控制和輸出信號(hào)進(jìn)行顯示[5]。

外部的按鍵部分共有8個(gè),這8個(gè)按鍵控制ADC0809的8路通道的選擇。鍵盤控制器的功能就是掃描所按下按鍵的行和列值,并且合成鍵值,轉(zhuǎn)換成按鍵數(shù)值0～7,最終控制8個(gè)模擬輸入通道的選擇。

2.1 VGA顯示控制器的設(shè)計(jì)

常見的彩色顯示器一般由陰極射線管(CRT)構(gòu)成,彩色是由紅、黃、藍(lán)(R,G,B)三基色組成的,用逐行掃描的方式解決圖像顯示,其引出線共含5個(gè)信號(hào):R,G,B三基色信號(hào);HS;行同步信號(hào);VS;場同步信號(hào)。

對于VGA顯示器的這五個(gè)信號(hào)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”,即640×480×60模式,否則會(huì)損害VGA顯示器[6]。

在此,控制器共有2個(gè)輸入信號(hào),6個(gè)輸出信號(hào)。CLK連接到外部的晶振上,其晶振頻率是50 MHz。由于VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的晶振頻率是25 MHz,因此,在此控制器中首先要將時(shí)鐘進(jìn)行二分頻。RD是一個(gè)8位的數(shù)據(jù)量,它接收從RAM讀出的數(shù)據(jù)。輸出信號(hào)READ用于控制RAM控制模塊開啟RAM的讀有效信號(hào),只要READ有變化,那么將進(jìn)入讀數(shù)據(jù)狀態(tài),由RD接收讀出來的數(shù)據(jù)。HS和VS分別是行同步信號(hào)和場同步信號(hào),R,G,B為三條輸出的信號(hào)線。顯示波形是通過改變R,G,B這三條輸出信號(hào)的值來實(shí)現(xiàn)的[4]。

[JP2]每讀出一個(gè)數(shù)據(jù),其實(shí)是對應(yīng)著一個(gè)像素點(diǎn)。由于這里所采集的電壓值范圍是0～5 V,對應(yīng)ADC0809轉(zhuǎn)換成的數(shù)據(jù)量是0x00～0xFF,所以在設(shè)計(jì)時(shí)只要將RD接收的具體數(shù)值與顯示器中的某一行相對應(yīng)即可,具體實(shí)現(xiàn)用比較語句就可以實(shí)現(xiàn)行定位,同時(shí)列輔助寄存器LLV加1即可,這樣即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)波形。這些點(diǎn)連接起來就是一個(gè)完整的波形,而其中行同步和場同步信號(hào)的產(chǎn)生則分別由內(nèi)部信號(hào)CC,LL根據(jù)已知的輸入時(shí)鐘,通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的方式,達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的頻率。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計(jì)

在此設(shè)計(jì)中,是利用狀態(tài)機(jī)對A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制的?？刂艫DC0809采樣狀態(tài)圖,如圖2所示。

[JP2]在狀態(tài)ST0中,對0809進(jìn)行初始化,之后進(jìn)入到狀態(tài)ST1;在狀態(tài)ST1中,ALE和START信號(hào)有效,這時(shí)EOC信號(hào)變?yōu)榈碗娖?進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)ST2。此時(shí),需要對0809工作狀態(tài)信號(hào)EOC進(jìn)行測試,如果為低電平,表示轉(zhuǎn)換沒結(jié)束,仍需要停留在ST2狀態(tài)中等待,直到變成高電平后才說明轉(zhuǎn)換結(jié)束,在下一時(shí)鐘脈沖到來時(shí)轉(zhuǎn)向狀態(tài)ST3。在狀態(tài)ST3,由狀態(tài)機(jī)向0809發(fā)出轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)輸出允許命令,這一狀態(tài)周期同時(shí)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)ST4,由狀態(tài)機(jī)向FPGA中的鎖存器發(fā)出鎖存信號(hào),將0809輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。

2.3 RAM讀寫控制器的設(shè)計(jì)

在該模塊設(shè)計(jì)中,RAM讀寫控制模塊又分為讀控制模塊、寫控制模塊和讀寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊。

寫控制模塊中兩個(gè)輸入信號(hào)分別與A/D轉(zhuǎn)換控制模塊的數(shù)據(jù)鎖存和轉(zhuǎn)換輸出相連。當(dāng)鎖存信號(hào)使能,即發(fā)出寫信號(hào),將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部RAM的第600個(gè)地址空間之后,再對之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行前移,以達(dá)到數(shù)據(jù)的及時(shí)更新。

讀控制模塊的控制信號(hào)分別與寫更新完畢信號(hào)和讀信號(hào)相連,當(dāng)寫更新完畢信號(hào)使能時(shí),只要接到讀信號(hào),則依次讀完外部RAM前600個(gè)地址空間(一場)的數(shù)據(jù)。

2.4 鍵盤掃描控制器的設(shè)計(jì)

鍵盤控制模塊由四個(gè)模塊組成,包括:時(shí)鐘分頻模塊、行鍵值輸出模塊、鍵值鎖存模塊和鍵值合成模塊。

鍵值鎖存模塊將按下按鍵的行、列信息鎖存,并交由鍵值合成模塊,該模塊配合行鍵輸出模塊輸出的結(jié)果進(jìn)行查表,最終確定鍵值。

3 仿真結(jié)果

Max+PlusⅡ仿真平臺(tái)的圖形輸入方式直觀,符合傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣,便于進(jìn)行接口的設(shè)計(jì),容易實(shí)現(xiàn)仿真,便于信號(hào)的觀察?；谝陨峡紤],利用此平臺(tái),用硬件描述語言VHDL來實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊,A/D轉(zhuǎn)換控制器和VGA顯示控制器模塊的時(shí)序仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

4 結(jié) 語

這里的數(shù)據(jù)采集控制模塊主要以FPGA為基礎(chǔ),本[LL]著軟件硬件化的思路,著重研究主控制模塊的實(shí)現(xiàn)。由于采用FPGA作為控制處理器,其速度快,效率高,且標(biāo)準(zhǔn)的VGA接口使得系統(tǒng)的使用更加便捷,鍵盤控制的多通道間切換,也為實(shí)現(xiàn)多路采集奠定了基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介 孫炎輝 1982年出生,回族,河南洛陽人,大連民族學(xué)院機(jī)電信息工學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)中心,助理工程師。

丁紀(jì)峰 男,1978年出生,遼寧撫順人,工學(xué)碩士,講師。研究方向?yàn)樽詣?dòng)化測試與控制。