基于FPGA的A/D轉換采樣控制模塊的設計

摘要：本文采用FPGA器件EP1C6T144C8芯片代替單片機控制A/D轉換芯片ADC0809進行采樣控制，整個設計用VHDL語言描述，在QuartusⅡ平臺下進行軟件編程實現(xiàn)正確的A/D轉換的工作時序控制過程，并將采樣數(shù)據(jù)從二進制轉化成BCD碼。本設計可用于高速應用領域和實時監(jiān)控方面。
關鍵詞：FPGA；A/D轉換；VHDL；采樣控制；BCD碼

在以往的A/D器件采樣控制設計中，多數(shù)是以單片機或CPU為控制核心，雖然編程簡單，控制靈活，但缺點是控制周期長，速度慢。單片機的速度極大的限制了A/D高速性能的利用，而FPGA的時鐘頻率可高達100MHz以上。本設計以高集成度的芯片為核心，進行時序控制、碼制變換。具有開發(fā)周期短，靈活性強，通用能力好，易于開發(fā)、擴展等優(yōu)點。既降低了設計難度，又加快了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

1 系統(tǒng)設計原理

本設計采用FPGA芯片EP1C6T144C8來對ADC0809進行采樣控制，并對數(shù)據(jù)進行處理，可將數(shù)據(jù)用LED顯示出來。如圖1所示，芯片EP1C6T144C8在對ADC0809控制時產(chǎn)生START轉換啟動信號，ALE地址鎖存允許信號（高電平有效），在工作過程中，F(xiàn)PGA不斷讀入轉換結束信號EOC判斷AD0809轉換是否結束。當EOC發(fā)出一個正脈沖時，表示A/D轉換結束，此時開啟輸出允許OE，打開ADC0809的三態(tài)緩沖鎖存器將轉換好的8位二進制數(shù)輸入FPGA芯片中。通過查找表的方法將8位二進制數(shù)轉換成12位BCD碼。

圖1 控制原理圖

2 FPGA模塊設計與仿真

本設計采用QuartusⅡ軟件平臺下的VHDL硬件描述語言進行軟件編程。主要分為兩個部分：ADC0809的工作狀態(tài)模塊和二進制到BCD碼轉換模塊。

2.1 ADC0809工作狀態(tài)模塊

采用雙進程有限狀態(tài)機的方法來實現(xiàn)。設計st0～st7八個工作狀態(tài)。st0：初始化。st1：產(chǎn)生ALE的上升沿將模擬通道IN1的地址鎖存。st2：產(chǎn)生START信號上升沿，啟動A/D轉換。st3：START信號延時一個脈沖。st4：A/D轉換中，等待。st5：轉換結束，開啟輸出允許信號OE。st6：OE延時一個脈沖，并開啟數(shù)據(jù)鎖存信號LOCK。st7：延時一個時鐘，輸出數(shù)據(jù)。狀態(tài)轉換方式見下面程序段。

case current_state is

when st0=> ale='0';start='0';oe='0';lock='0'; next_state=st1;

---初始態(tài)ST0向下一狀態(tài)ST1轉換,0809采樣控制信號初始化；

when st1=> ale='1';start='0';oe='0';lock='0'; next_state=st2;

---由ALE的上升沿將通道地址'001'鎖入0809的地址寄存器；

when st2=> ale='1';start='1';oe='0';lock='0'; next_state=st3; ---啟動采樣信號；

when st3=> ale='0';start='1';oe='0';lock='0';

if(eoc='0') then next_state=st4; ---轉換即將結束,轉換至下一狀態(tài)；

else next_state=st3; ---轉換未結束,繼續(xù)在狀態(tài)ST3中等待；

end if;

when st4=> ale='0';start='0';oe='0';lock='0';

if(eoc='1') then next_state=st5; ---EOC由0恢復1,轉換結束；

else next_state=st4; ---轉換未結束,等待；

end if;

when st5=> ale='0';start='0';oe='1';lock='0'; next_state=st6; --開啟輸出允許OE；

when st6=> ale='0';start='0';oe='1';lock='1'; next_state=st7; --開啟數(shù)據(jù)鎖存LOCK；

when st7=> ale='0';start='0';oe='0';lock='1'; next_state=st0;

when others=>next_state=st0; ---其它狀態(tài)返回ST0；

end case;

2.2 二進制到BCD碼轉換模塊

本設計模擬量輸入范圍為0～+5V,用8位二進制數(shù)表示其精度為0.02。將ADC0809輸出的二進制數(shù)劃分為高四位與低四位，通過查表分別算出電壓值并寫出對應的12位BCD碼, 將得到的高四位電壓與低四位電壓值用12位BCD碼加法，把12位BCD碼分為三組，每組四位，相加從最低4位開始，且每4位相加結果超過10時需作進位動作，最終得到BCD碼分別對應高、中、低三位輸出顯示。