基于單片機(jī)和CPLD實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)構(gòu)成
該系統(tǒng)中待采集顯示電壓信號(hào)共16路，動(dòng)態(tài)電壓范圍為－22~+27 V。由于這些電壓信號(hào)變化頻率較低，或者認(rèn)為頻率無(wú)變化，且檢測(cè)系統(tǒng)只關(guān)心其電壓值，所以在低采樣率下就可滿足系統(tǒng)要求。根據(jù)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采樣率即顯示刷新速率在1．56 k／s以上。
采用單片機(jī)80C196KB和可編程邏輯器件EPM7128SLC為核心控制器，以80C196KB內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)16路電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示、控制。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)主要由信號(hào)預(yù)處理、信號(hào)選通、單片機(jī)采集、雙機(jī)數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理顯示等模塊構(gòu)成。其中，信號(hào)選通模塊由CPLD和多路模擬選擇器組成。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 信號(hào)預(yù)處理電路
由于待采集電壓信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)范圍較寬，且極性各異，對(duì)于單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，需要調(diào)理到能夠采集的電壓范圍闈0~5 V，所以要統(tǒng)一調(diào)理采集信號(hào)，如圖2所示。

圖2中運(yùn)放LM224和MC1556均采用雙電壓供電，以提高動(dòng)態(tài)信號(hào)輸入范圍；電阻均采用精度為0．1％的精密型金屬膜電阻，以提高電壓轉(zhuǎn)換精度。
在二級(jí)電壓凋理過(guò)程中，MC1556同相輸人端采用穩(wěn)壓電路以減少長(zhǎng)時(shí)間通電情況下溫度升高對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響。南于電壓跟隨器具有輸入阻抗大和輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，故在預(yù)處理電路的輸入端和輸出端均采用電壓跟隨電路。
3．2 信號(hào)選通電路
ADG508A是一款8通道CMOS模擬多路選擇器，具有高速轉(zhuǎn)換速度和低內(nèi)阻特性，通道切換具有防短路功能。在CPLD控制下，它可對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行有序通道切換，配合單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
EPM7128SLC是一款A(yù)hera公司生產(chǎn)的CPLD，其容量為128個(gè)宏單元，采用硬件描述語(yǔ)言VHDL對(duì)CPLD編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)信號(hào)的選通控制。首先編寫(xiě)分頻器模塊對(duì)1 MHz晶體振蕩器進(jìn)行20分頻，輸出2路相位相錯(cuò)、周期為20 μs的矩形同步信號(hào)。其中一路信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器進(jìn)行2分頻，得到占空比50％、周期為40μs的方波信號(hào)；然后編寫(xiě)信號(hào)選通控制模塊。此模塊根據(jù)方波信號(hào)和另一路同步信號(hào)循環(huán)輸出控制信號(hào)，兩模塊都在MuxPlus-II環(huán)境下開(kāi)發(fā)，CPLD控制信號(hào)時(shí)序仿真結(jié)果如圖3所示，其中，信號(hào)FRM和ROAD是單片機(jī)主程序運(yùn)行的勤務(wù)信號(hào)；CS1和CS2是2片ADG508A的片選信號(hào)：A0、A1和A2則是ADG508A通道選通控制信號(hào)。
3．3 單片機(jī)采集電路
80C196KB是Intel公司生產(chǎn)的一款16位CMOS單片機(jī)，片內(nèi)集成有8路A／D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)8通道多路模擬開(kāi)關(guān)，采樣保持電路和10位A／D轉(zhuǎn)換器。由于該系統(tǒng)外部有多路選擇器，故內(nèi)部無(wú)需通道轉(zhuǎn)換，采用一個(gè)ACH0通道即可完成數(shù)據(jù)采集。對(duì)于采用12 MHz晶振的單片機(jī)系統(tǒng)，完成一次A／D轉(zhuǎn)換需22μs。80C196KB的A／D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近的方法完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，基準(zhǔn)電壓設(shè)定非常關(guān)鍵，內(nèi)部阻容網(wǎng)絡(luò)將基準(zhǔn)電壓Vref等分為1 024個(gè)階梯，每級(jí)為Vref／1 024 V。通過(guò)與基準(zhǔn)電壓比較，可得到10位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，其中基準(zhǔn)電壓的精度以及穩(wěn)定度直接影響到測(cè)量結(jié)果的絕對(duì)精度。因此在電路中Vref采用單獨(dú)電源供電并通過(guò)基準(zhǔn)穩(wěn)壓源如LM136的5 V提高精度及穩(wěn)定度。
80C196KB通過(guò)判斷ROAD信號(hào)在其上升沿讀取上次A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，同時(shí)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換下一路信號(hào)，該單片機(jī)用FRM信號(hào)作為非屏蔽中斷使計(jì)數(shù)器DXL歸零，主程序循環(huán)一次，保證對(duì)16路通道信號(hào)的時(shí)分復(fù)用采集。單片機(jī)80C196KB程序流程如圖4所示。