基于FPGA的數(shù)據(jù)采集控制模塊的研究與設(shè)計(jì)

　　0 引 言

　　數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)是對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(cè)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(lái)，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(yǔ)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(yǔ)言和仿真工具，方便檢驗(yàn)結(jié)果的正確性?；谝陨峡紤]，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(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。其中，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(duì)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(guò)程中采用FPGA作為控制器，完成對(duì)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(guò)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(duì)輸入的模擬量進(jìn)行A／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(lái)緩存0809采集的數(shù)據(jù)；按鍵控制部分利用8個(gè)按鍵來(lái)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(duì)外部器件進(jìn)行控制的控制器都是由FPGA完成的，F(xiàn)P-GA的工作量很大，因此所采用的FPGA芯片為FLEX系列中30萬(wàn)門的EPF10K30。

　　2 基于FPGA的主控模塊的實(shí)現(xiàn)

　　主控制器的工作原理如圖1所示。

　　通過(guò)一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換控制器產(chǎn)生對(duì)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(guò)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(kāi)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)一位，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(guò)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(kāi)啟RAM的讀有效信號(hào)，讀出RAM中的數(shù)據(jù)，并且通過(guò)VGA控制器的時(shí)序控制和輸出信號(hào)進(jìn)行顯示。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(jiàn)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(chǎng)同步信號(hào)。

　　對(duì)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。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(kāi)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(lái)的數(shù)據(jù)。HS和VS分別是行同步信號(hào)和場(chǎng)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(guò)改變R，G，B這三條輸出信號(hào)的值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　每讀出一個(gè)數(shù)據(jù)，其實(shí)是對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)即可，具體實(shí)現(xiàn)用比較語(yǔ)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(lái)就是一個(gè)完整的波形，而其中行同步和場(chǎng)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(guò)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。