基于單片機(jī)和CPLD的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)，將計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應(yīng)有盡可能高的采樣速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制對速度的要求。

當(dāng)前科學(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，許多領(lǐng)域越來越多地要求具有高精度A/D轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)處理功能。同時(shí)，市場對支持更復(fù)雜的顯示和通信接口的要求也在提高，如環(huán)境監(jiān)測、電表、醫(yī)療設(shè)備、便攜式數(shù)據(jù)采集以及工業(yè)傳感器和工業(yè)控制等。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是應(yīng)用MCU通過軟件控制數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換，這樣必將頻繁中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，從而減弱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，數(shù)據(jù)采集的速度也將受到限制。本文采用MCU+CPLD的方案，由硬件控制A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)采取多模冗余的模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，最大限度地提高系統(tǒng)的信號(hào)采集精度和處理能力。

2采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)方案來源于對某控制系統(tǒng)的檢測與診斷的研究，該控制系統(tǒng)在工作過程中，有多種產(chǎn)生于不同部件的信號(hào)需要檢測，其中有模擬輸入信號(hào)9路(其中6路16位精度要求，3路12位精度要求)，數(shù)字輸入信號(hào)3路（16位），要求以CAN2.0總線/RS232輸出，誤差=10-5，溫度范圍為：-400C≤ T ≤ +850C。

2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)該系統(tǒng)功能和性能要求以及傳統(tǒng)的基于單一的單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了結(jié)合單片機(jī)和CPLD器件的各自優(yōu)點(diǎn)， 以MCU+CPLD的雙片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了高精度的多模冗余的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由MCU處理模塊、CPLD處理模塊和ADC陣列、通信模塊四個(gè)部分組成，其總體硬件框圖如圖1所示。

圖1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框圖

根據(jù)系統(tǒng)精度要求，A／D轉(zhuǎn)換器件要分別達(dá)到16、12位精度，為此選用了美國模擬器件公司(ADI)公司的16位高速A／D轉(zhuǎn)換器AD7656以及12位高速A／D轉(zhuǎn)換器AD7864。3路數(shù)據(jù)采集并行實(shí)現(xiàn)，所有的時(shí)序信號(hào)和控制邏輯由同一片CPLD實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)體積小，速度快。本設(shè)計(jì)選用了Altera公司的MAX3000系列可編程邏輯器件EPM3128芯片。3路ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，CPLD調(diào)用三模冗余表決程序?qū)／D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行判斷，并把結(jié)果送入運(yùn)算模塊的輸入FIFO。三模冗余的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 三模冗余原理結(jié)構(gòu)圖

此處的三模冗余表決程序使用VHDL語言編寫，運(yùn)行速度快，可靠性高。此方案的具體硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件原理圖
3 系統(tǒng)主要芯片介紹

系統(tǒng)所使用的幾個(gè)主要的芯片包括MCU、CPLD、A/D等芯片，下面對芯片進(jìn)行簡單的介紹。

3.1 MCU

Cygnal公司的單片機(jī)C8051F040具有與8051指令集完全兼容的CIP－51內(nèi)核。它的最高頻率可達(dá)25Mhz,內(nèi)置64KB FLASH RAM和4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。C8051F040在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件，包括ADC、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定時(shí)器、內(nèi)部振蕩器、看門狗電路以及CAN控制器等，這種高度集成為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、高可靠和高性能的測控系統(tǒng)提供了方便，同時(shí)也使測控設(shè)備整體成本能夠降低。

C8051F040內(nèi)部集成有BOTSH CAN，它兼容CAN技術(shù)規(guī)范2.0A和2.0B，主要由CAN內(nèi)核、消息RAM（獨(dú)立于CIP-51的RAM）、消息處理單元和控制寄存器組成。

3.2 CPLD

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要，在現(xiàn)有的CPLD中選擇Altera公司中MAX 3000A[50]系列中的EPM3218ATC100-10。MAX 3000A器件具有以下特性：

1) Altera 的MAX 3000A 可編程邏輯器件（PLD）是滿足大批量，成本敏感性應(yīng)用的非易失性和即用性CPLD理想的解決方案。MAX 3000A提供從32到512個(gè)宏單元，3.3V邏輯內(nèi)核電壓，并支持通用特性和封裝；

2)Altera的MultiVolt 多電壓接口從工業(yè)應(yīng)用傳統(tǒng)所要求的5.0V I/O信號(hào)到消費(fèi)電子應(yīng)用要求的低電壓標(biāo)準(zhǔn)如2.5V，MAX 3000A器件都提供強(qiáng)大的I/O電壓選項(xiàng)。

3)出眾的硅片特性：MAX 3000A器件是具有即用性，非易失性，提供全局時(shí)鐘，在系統(tǒng)可編程，IEEE-1532標(biāo)準(zhǔn)支持，和開路輸出特性的器件，MAX 3000A器件適用于大量系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用；

4)易用的設(shè)計(jì)軟件：MAX器件為易用的Quartus® II網(wǎng)絡(luò)版和MAX+PLUS® II 基礎(chǔ)版設(shè)計(jì)軟件所支持。這兩個(gè)平臺(tái)提供綜合布局布線，設(shè)計(jì)驗(yàn)證和器件編程功。

本文中采用的EPM3218ATC100-10具有128個(gè)宏單元，80用戶I/O管腳數(shù)，工作電壓為3.3V，具有2500個(gè)可用門和ISP，管腳間延遲快至10ns，計(jì)數(shù)器速度可高達(dá)100MHz，可以很好的滿足系統(tǒng)的需要。

3.3 A/D

ADI公司16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656采用iCMOS工藝制造的，是高集成度、6通道16-bit逐次逼近(SAR)型ADC，內(nèi)含1個(gè)2.5V基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器。AD7656在每通道250kS／s采樣速率下的精度(±4LSB最大值積分線性誤差)是同類產(chǎn)品的2倍，可以滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω叻直媛?、多通道、高轉(zhuǎn)換速率和低功耗的要求。AD7864是一種高速、低功耗、可以4通道同時(shí)采樣的A/D轉(zhuǎn)換器。它的主要特性有：高速12位A/D轉(zhuǎn)換器；同時(shí)采樣4個(gè)輸入通道，并具有4個(gè)采樣、保持放大器；0.35ms采樣保持獲取時(shí)間，每一個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)間1.65ms；可以通過軟件或者硬件的方法選取用于采樣的通道；多個(gè)轉(zhuǎn)換電壓范圍；具有高速并行接口，可以與處理器直接連接；低功耗，每通道功耗90mW；對于每一個(gè)模擬輸入通道均有過壓保護(hù)電路。AD7864 4通道同時(shí)工作時(shí)，最大采樣率可以高達(dá)130KHz。以上兩種芯片能滿足系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性的要求。

4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,每次數(shù)據(jù)采集過程,單片機(jī)和A/ D 轉(zhuǎn)換之間都存在數(shù)據(jù)的傳送,由于受單片機(jī)執(zhí)行指令時(shí)間的限制,采集一個(gè)數(shù)據(jù)需要幾到幾十微秒的時(shí)間,這樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以適應(yīng)高速信號(hào)采集的需要。本系統(tǒng)是在單片機(jī)控制下,完全由CPLD自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的全過程。在該系統(tǒng)中單片機(jī)只控制數(shù)據(jù)采集的啟動(dòng)和采集結(jié)束后對數(shù)據(jù)的處理或傳輸,在數(shù)據(jù)采集的過程中,單片機(jī)并不對采集通道進(jìn)行任何控制,這樣就使系統(tǒng)的采集速率完全不受單片機(jī)速度的限制,從而實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的目的。系統(tǒng)的主程序的基本流程框圖如圖4所示。

圖4主程序流程圖
主程序主要采用中斷的方式對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作和控制。其中，數(shù)據(jù)采集使用外部中斷方式，當(dāng)CPLD的數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)存滿時(shí)發(fā)出中斷申請，單片機(jī)就轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷程序，進(jìn)行中斷數(shù)據(jù)處理，把CPLD中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到SRAM里進(jìn)行保存;與PC機(jī)的數(shù)據(jù)連接使用串行口中斷方式(設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)，響應(yīng)時(shí)屏蔽其他一切任務(wù)的執(zhí)行)，將SRAM中的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)。與主機(jī)通信主要由C8051F040通過中斷方式接收PC機(jī)發(fā)送過來的字符，在進(jìn)行碼字的判別之后，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)送回到PC機(jī)。

5 應(yīng)用分析與結(jié)論

本文作者的創(chuàng)新觀點(diǎn)是：針對某軍工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要，采用CPLD和MCU設(shè)計(jì)了一種多路高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多通道同步采樣或異步采樣，利用CPLD實(shí)現(xiàn)對A/D的邏輯控制，使用C8051F040對A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于CPLD的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確有效地進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法不僅適用于多路數(shù)據(jù)采集，而且能有效地?cái)U(kuò)MCU訪問外設(shè)的能力，在成本控制、可擴(kuò)展性以及資源利用效率上都有非常大的提高。此設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成功的運(yùn)用于該產(chǎn)品上，對其數(shù)據(jù)采集的精度有了較大幅度的提高，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。