基于CPLD的120MHz高速A／D采集卡的設(shè)計(jì)

　　高速A／D采集技術(shù)已在許多領(lǐng)域得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用，本文將詳細(xì)論述采用CPLD技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)120MHz高速A／D采集卡的設(shè)計(jì)方法，該采集卡具有包括負(fù)延遲觸發(fā)在內(nèi)的多種觸發(fā)方式，采用CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件（又稱FPGA）EPM7128SQC100－7和AD公司的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A／D）AD9054BST－135來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 芯片介紹

1．1 EPM7128SQC100－7簡(jiǎn)介
　　EPM7128SQC100－7內(nèi)含128個(gè)宏單元（或2500個(gè)可用門），其引腳到引腳的最短傳輸延時(shí)為7ns，采用單＋5V電源供電，可通過(guò) JTAG接口實(shí)現(xiàn)在線編程，并帶有可供84個(gè)用戶使用的I／O腳（其中4個(gè)為專用輸入腳）。該器件采用PQFP－100封裝。其中TDI、TDO、 TMS、TCLK腳為編程腳；GCLK、GOE、GCLEAR、REDIN腳為專用輸入腳；VCCINT、VCCIO腳接＋5V電源；GND腳接地； I／O為用戶可編程輸入輸出腳。在I／O腳作輸出使用時(shí)，可由用戶設(shè)定為0，1和Z三種狀態(tài)。

1．2 AD9054BST－135簡(jiǎn)介
　　AD9054BST－135是一種低價(jià)位135MSPS的8位A／D轉(zhuǎn)換器，其模擬輸入電壓峰峰值為1V，且內(nèi)置2．5V參考電壓，采用＋5V單電源供電，并可與TTL電平接口，具有單8位或雙8位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出模式，采用TQFP－44腳封裝形式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，各管腳的定義如下：
AIN：模擬電壓輸入正端；
：模擬電壓輸入負(fù)端；
ENCODE：時(shí)鐘輸入正端；
　　：時(shí)鐘輸入負(fù)端，通常應(yīng)通過(guò)電容耦合接地；
　　：輸出數(shù)據(jù)模式設(shè)置引腳。該腳為1時(shí)，采用單8位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出模式。該腳為0時(shí)，采用雙8位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出模式；
DS：數(shù)據(jù)同步控制引腳，正脈沖輸入；
AD7～DA0：A／D轉(zhuǎn)換輸出；
D B7～DB0：A／D轉(zhuǎn)換輸出；
V REFOUT：＋2．5V參考電壓輸出；
V REFIN：參考電壓輸入；
DVD：＋5V電源輸入端；
GND：電源地。

使用時(shí)，如將接地，則AD9054工作于雙8路數(shù)據(jù)輸出模式。上電后，DA7～DA0及DB7～DB0均以二分之一的ENCODE頻率（即120MHz／2）輸出A／D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此從DA7～DA0及DB7～DB0讀取的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，無(wú)法知曉DA口與DB口的數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)在時(shí)序上的先后。這樣，需要加一個(gè)數(shù)據(jù)同步脈沖DS信號(hào)，并讓DS正脈沖的后沿后的4個(gè)時(shí)鐘周期上的DA口與DB口同步有效，即在DS后沿的第2N＋1與2N＋3個(gè)ENCODE上升沿期間輸出第K點(diǎn)采樣值的轉(zhuǎn)換結(jié)果；在DS后沿后第2N＋2與2N＋4個(gè)ENCODE上升沿期間輸出第K＋1點(diǎn)采樣值的轉(zhuǎn)換結(jié)果（注：N≥1，K≥0，K＝0對(duì)應(yīng)的采樣值為DS下降沿后ENCODE第一次上升沿時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的采樣輸入值）。因此，在施加DS信號(hào)后就可以得知任一時(shí)刻A口數(shù)據(jù)與B口數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)在時(shí)間上的先后順序，以便讀取有用的A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　圖2是基于CPLD的高速 A／D采集卡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖。圖中，89C51送往EPM7128S的控制信號(hào)包括一個(gè)A／D啟動(dòng)信號(hào)SAD、一個(gè)讀SRAM信號(hào)RRD和一個(gè)地址加一控制脈沖ACLK。而EPM7128S送往AD9054的信號(hào)為一個(gè)DS同步信號(hào)，送往89C51的信號(hào)為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)（接INT0）和超前觸發(fā)地址串行輸出信號(hào)SADR。

EPM7128S送往61128－15SRAM的信號(hào)包括讀信號(hào)RD、寫信號(hào)WE、數(shù)據(jù)信號(hào)DINA0～7和DINB0～7以及地址信號(hào)ADR0～16。其中兩片SRAM的地址信號(hào)共用。為了節(jié)省EPM7128S的I／O口線，可將61128－15的片選線接地。

QA信號(hào)為外觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換控制信號(hào)。

　　在本文所介紹的A／D數(shù)據(jù)采集卡中，負(fù)延遲觸發(fā)存貯深度為2k字節(jié)。上電復(fù)位后， 89C51向EPM7128S發(fā)一個(gè)A／D啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，EPM7128S也會(huì)發(fā)一個(gè)DS同步脈沖給AD9054，在四個(gè)時(shí)鐘后，EPM7128S輸出WE 信號(hào)有效，同時(shí)將AD9054輸出的雙8位數(shù)據(jù)信號(hào)以60MHz的頻率經(jīng)鎖存處理后送往SRAM，每鎖存AD9054數(shù)據(jù)一次（2字節(jié)）將地址 ADR0～13加1。當(dāng)?shù)刂窞?FF時(shí)（即1k），清地址計(jì)數(shù)器以使其為零。此后，地址計(jì)數(shù)器仍以60MHz的頻率加1計(jì)數(shù)，而鎖存器仍以60MHz的頻率鎖存雙8位數(shù)據(jù)并寫入SRAM。當(dāng)?shù)刂窞?FF時(shí)再一次清零，在外觸發(fā)信號(hào)QA到來(lái)之前，CPLD就這樣控制著整個(gè)電路以使其在2k字節(jié)存貯深度內(nèi)作超前循環(huán)采集。當(dāng)某一時(shí)刻的QA信號(hào)到來(lái)時(shí)，CPLD首先將此時(shí)的地址信號(hào)的前10位ADR0～9鎖存，隨后將地址計(jì)數(shù)器置為400H，而后地址計(jì)數(shù)器仍以 60MHz的頻率加1計(jì)數(shù)，而鎖存器也以60MHz的頻率鎖存雙8位數(shù)據(jù)并寫入SRAM。當(dāng)?shù)刂酚?jì)數(shù)器為1FFFFH（即128k）時(shí)，地址計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，鎖存器停止鎖存數(shù)據(jù)并對(duì)外輸出高阻態(tài)，CPLD向89C51送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)ADEND，并置WE信號(hào)無(wú)效。

當(dāng)89C51收到ADEND中斷信號(hào)后，就可以讀取SRAM中的A／D數(shù)據(jù)以及CPLD中的超前地址ADR0～9。首先89C51將送出一個(gè)RRD信號(hào)給 EPM7128S，EPM7128S收到RRD信號(hào)后立即置RD信號(hào)有效，同時(shí)將地址計(jì)數(shù)器清零。此時(shí)，兩片SRAM均輸出地址為0的單元的數(shù)據(jù)，同時(shí)由 CPLD的SADR線輸出負(fù)延遲觸發(fā)地址ADR0～9中的ADR0位。89C51則可通過(guò)P0和P2口由DINA和DINB分別讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)P1口由SADR讀地址ADR0位。此后89C51便向EPM7128S發(fā)出一個(gè)地址加一脈沖ACLK，EPM7128S在收到這個(gè)ACLK脈沖后使 ADR0～13加1，同時(shí)CPLD由SADR線輸出負(fù)延遲觸發(fā)地址ADR0～9中的ADR1位。這樣，89C51便可通過(guò)不斷地發(fā)ACLK脈沖來(lái)使P0、 P2口的DINA和DINB分別讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)P1口來(lái)由SADR讀負(fù)延遲觸發(fā)地址ADR0～9。

3 CPLD部分的設(shè)計(jì)

　　由于EPM7128SQC100的內(nèi)部邏輯電路是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此，了解EPM7128SQC100的內(nèi)圖2基于CPLD的高速A／D采集卡統(tǒng)框圖基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的120MHz高速A／D采集卡的設(shè)計(jì)部結(jié)構(gòu)十分重要。圖3是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖。

圖3中有三個(gè)574鎖存器，其作用是將AD9054輸出的在時(shí)序上未對(duì)齊的DA、DB兩組數(shù)據(jù)變?yōu)闀r(shí)序上對(duì)齊的兩組數(shù)據(jù)DINA、DINB，圖4是其對(duì)齊操作時(shí)序圖。

將120MHz信號(hào)二分頻后所得到的60MHz信號(hào)可作為整個(gè)邏輯電路的工作頻率。工作時(shí)，同步控制電路首先將外輸入信號(hào)與內(nèi)部60MHz信號(hào)同步，然后送往各單元電路。地址計(jì)數(shù)器的工作情況有兩種：一是進(jìn)行A／D采集時(shí)以60MHz頻率計(jì)數(shù)，二是89C51讀數(shù)時(shí)以ACLK脈沖頻率計(jì)數(shù)。RD、WE發(fā)生電路的作用是當(dāng)89C51發(fā)SAD信號(hào)時(shí)，電路輸出WE信號(hào)有效，RD信號(hào)無(wú)效；而當(dāng)89C51發(fā)RRD信號(hào)時(shí)，電路輸出RD信號(hào)有效，WE信號(hào)無(wú)效。 DS信號(hào)發(fā)生電路的作用是在收到89C51的SAD信號(hào)時(shí)發(fā)送一個(gè)DS正脈沖。

10位移位寄存器的作用是當(dāng)外觸發(fā)信號(hào)QA到達(dá)時(shí)將地址計(jì)數(shù)器中的ADR0～9鎖存，當(dāng)收到RRD信號(hào)后，系統(tǒng)每接收一個(gè)ACLK脈沖便將寄存器移位輸出一次，順序是低位在前。

4 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要是負(fù)責(zé)把各種控制信號(hào)和數(shù)據(jù)送給CPLD，并把采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)接口送到上位機(jī)或其它設(shè)備。本卡中的接口有串口和并口兩種類型。對(duì)CPLD的操作的軟件流程框圖如圖5所示。

　　由于采用了負(fù)延遲觸發(fā)，所以由SRAM所讀取的256k字節(jié)并不是按時(shí)間的先后順序存放的，因此必須進(jìn)行重新排序整理。

5 注意事項(xiàng)

　　在利用本文的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行120MHz A／D設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）應(yīng)選用高速器件。
　?。?）電路中的器件布局要合理，高頻信號(hào)線應(yīng)盡量的短。
　?。?）進(jìn)行時(shí)序分析時(shí)應(yīng)充分考慮器件延時(shí)，必要時(shí)應(yīng)考慮長(zhǎng)線傳輸延時(shí)，這也是高頻信號(hào)線應(yīng)盡量短些的原因之一。
　?。?）盡量采用同步設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)整個(gè)電路要盡最大可能按某一高頻時(shí)鐘同步工作。本電路的同步時(shí)鐘為60MHz。
　　（5）電路內(nèi)部要盡量濾去毛刺。特別是觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)、清零信號(hào)和置位信號(hào)，更應(yīng)如此。

參考文獻(xiàn)

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