基于CPLD和FIFO的多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

介紹了一種基于CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）和FIFO（先入先出存儲(chǔ)器）的多通道高速A／D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并給出了這種數(shù)據(jù)采集方法的硬件原理電路和主要的軟件設(shè)計(jì)思路。采用該設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)高速采集多通道的數(shù)據(jù)，而且還可以擴(kuò)展模擬量的輸入通道數(shù)。
??? 關(guān)鍵詞：多通道，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，CPLD，F(xiàn)IFO
　　

1　引　言
　　隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及各種故障分析技術(shù)的發(fā)展，以及單片機(jī)的運(yùn)算速度的提高，在一些由單片機(jī)構(gòu)成的較小系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理（如諧波分析等）已經(jīng)成為可能，且越來(lái)越受到人們的重視。這就要求作為最底層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，既要具有很高的采樣速率，又要能提供更豐富的原始數(shù)據(jù)信息。
　　常規(guī)采集方案為：（1）由單片機(jī)直接控制的采集方案，這是最簡(jiǎn)單最常用的控制方案。由于每次采樣都要有單片機(jī)的參與，需占用單片機(jī)的時(shí)間，影響其數(shù)據(jù)處理，而且對(duì)于多通道、多個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器的控制，因所需處理的信息更多，則更加不方便。（2）由DMA控制的采集方案。此方案硬件電路復(fù)雜，若與單片機(jī)配合使用，需要單片機(jī)具有總線掛起功能（Hold功能），否則還需要進(jìn)行總線切換。在總線掛起的時(shí)候，單片機(jī)就不能訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器和外部端口，如果單片機(jī)要訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)，也只能等待總線的釋放，這樣就帶來(lái)很多不方便，也影響數(shù)據(jù)的及時(shí)處理。
　　在電力系統(tǒng)的微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)中或者其他數(shù)據(jù)巡檢系統(tǒng)中，需要對(duì)多通道的數(shù)據(jù)作快速的采集分析，尤其是對(duì)于實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的系統(tǒng)，更要求采集獲得的數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的運(yùn)行情況，例如，故障錄波和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)〔1〕〔2〕。本文提出了一種易與各種單片機(jī)系統(tǒng)接口的由純硬件電路控制的多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它的自動(dòng)采樣硬件電路主要采用CPLD（Complex Programmable Logic Device）和FIFO（First In FirstOut）技術(shù)設(shè)計(jì)而成。該裝置可以實(shí)現(xiàn)多路模擬量的高速采集，每一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可以采集10個(gè)通道的數(shù)據(jù)，并且多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的輸出可以以總線形式進(jìn)行擴(kuò)展。
2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖和基本設(shè)計(jì)思想
??? 多通道高速A／D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

　　圖中模擬輸入量1至模擬輸入量n是指每一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣通道數(shù)，模擬量經(jīng)過(guò)低通濾波器預(yù)處理后，再進(jìn)入采樣保持器（S／H），經(jīng)多路開(kāi)關(guān)（Multi－channelSwitches）分時(shí)切換進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)DSP（Digital SignalProcessing）芯片的觸發(fā)，在CPLD器件的控制下，進(jìn)入n個(gè)通道的一次循環(huán)采樣，并將采樣數(shù)據(jù)依順序打入FIFO器件，DSP在每個(gè)采樣結(jié)束后直接從FIFO芯片中讀出數(shù)據(jù)即可。該多通道高速A／D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心就是在DSP芯片的每一個(gè)定時(shí)中斷時(shí)，從FIFO芯片中讀入采樣數(shù)據(jù)后，復(fù)位FIFO器件，觸發(fā)CPLD進(jìn)行硬件時(shí)序控制采樣，采樣過(guò)程不需要DSP芯片的參與，DSP芯片可以并行處理主程序中的數(shù)據(jù)。
3　芯片介紹
3．1　FIFO存儲(chǔ)器件LH5496（H）簡(jiǎn)介
　　LH5496（H）是SHARP公司采用CMOS工藝制造的512×9位可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出（FIFO）算法、可以進(jìn)行異步讀寫(xiě)操作的雙端口存儲(chǔ)器。它提供“全空”（／EF）、“全滿”（／FF）、“半滿”（／HF）狀態(tài)標(biāo)志，用以防止數(shù)據(jù)溢出或不足。擴(kuò)展邏輯電路允許多片F(xiàn)IFO進(jìn)行級(jí)聯(lián)，在字寬和容量深度兩方面進(jìn)行擴(kuò)展，而且不會(huì)增加額外的延時(shí)時(shí)間〔3〕。LH5496（H）功能引腳如圖2所示。 　　芯片管腳說(shuō)明：D0～D8為數(shù)據(jù)輸入線；Q0～Q8為數(shù)據(jù)輸出線；／RS為復(fù)位輸入線，低電平有效；／W為寫(xiě)操作輸入線，低電平有效；／R為讀操作輸入線，低電平有效；FL／RT為首次加載／重新發(fā)送，低電平有效；／XO／HF為擴(kuò)展輸出／緩沖器半滿標(biāo)志，低電平有效；／XI擴(kuò)展輸入線，低電平有效；／FF為緩沖器全滿標(biāo)志輸出線，低電平有效；／EF為緩沖器空標(biāo)志輸出線，低電平有效。
　　讀寫(xiě)操作會(huì)自動(dòng)訪問(wèn)存儲(chǔ)器中的連續(xù)存儲(chǔ)單元，從FIFO中讀出的數(shù)據(jù)順序與寫(xiě)入的順序相同，地址的順序在內(nèi)部已經(jīng)預(yù)先定義好，對(duì)芯片的操作不需要額外的地址信息。芯片提供對(duì)讀／寫(xiě)指針的復(fù)位功能（／RS），使內(nèi)部讀／寫(xiě)指針同時(shí)設(shè)置到初始位置。另外，它還對(duì)讀指針提供單獨(dú)的復(fù)位功能（／RT），僅把讀指針設(shè)置到初始位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)已讀出數(shù)據(jù)的重新讀取。該器件采用9位數(shù)據(jù)寬度，第9位用作控制位或奇偶校驗(yàn)位，在需要對(duì)傳輸進(jìn)行奇偶校驗(yàn)的通訊系統(tǒng)中，該位可以被用到。IDT公司的LH5496（H）的存取時(shí)間可以有15μs、20μs、25μs、35μs、50μs、65μs、80μs幾種選擇。
　　需要注意的是，這是一個(gè)單向的FIFO雙端口存儲(chǔ)器，即，只能由D0～D8輸入數(shù)據(jù)，由Q0～Q8輸出數(shù)據(jù)，所以，讀、寫(xiě)控制線只有一套。也就是說(shuō)不能作為
雙向的數(shù)據(jù)傳送。另外，因?yàn)檫@是一個(gè)FIFO（先入先出）存儲(chǔ)器，所以沒(méi)有絕對(duì)地址的概念，只有讀指針和寫(xiě)指針的相對(duì)位置。當(dāng)相對(duì)位置為0時(shí)，表明存儲(chǔ)器空；為所用的存儲(chǔ)器的容量時(shí)，表明存儲(chǔ)器己滿。具體包括：
　?。?）寫(xiě)操作：只要／FF標(biāo)志不為0，就可以進(jìn)行寫(xiě)操作，且可以與讀操作同時(shí)進(jìn)行。每寫(xiě)一次數(shù)據(jù)，寫(xiě)指針自動(dòng)加一，當(dāng)寫(xiě)指針與讀指針的相對(duì)位置為存儲(chǔ)器的容量時(shí)，標(biāo)志／FF清零。當(dāng)／FF標(biāo)志為0時(shí)，所進(jìn)行的任何寫(xiě)操作都不會(huì)改變存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，也不會(huì)改變寫(xiě)指針的值。此時(shí)的寫(xiě)禁止由內(nèi)部控制。
　?。?）讀操作：只要／EF標(biāo)志不為0，就可以進(jìn)行讀操作，且可以與寫(xiě)操作同時(shí)進(jìn)行。每讀一次數(shù)據(jù)，讀指針自動(dòng)加一，當(dāng)讀指針與寫(xiě)指針的相對(duì)位置為0時(shí)，標(biāo)志／EF清零。當(dāng)／EF標(biāo)志為0時(shí)，所進(jìn)行的任何讀操作都不會(huì)改變讀指針，且讀出的數(shù)據(jù)都為0FFH，即數(shù)據(jù)總線呈現(xiàn)高阻。
3．2　X95108芯片簡(jiǎn)介
　　X95108芯片是XILINX公司生產(chǎn)的CPLD芯片，它是X9500系列芯片，是一種ISP（在系統(tǒng)可編程）芯片〔4〕（http：／／www．XILINX．com，1998），它的主要特點(diǎn)有：7．5ns的pin－to－pin邏輯時(shí)延，工作時(shí)鐘125MHz，具有108個(gè)宏單元和2400個(gè)邏輯門(mén)，每個(gè)宏單元可工作在省電模式，最多108個(gè)用戶I／O引腳，采用ISP在系統(tǒng)可編程技術(shù)，可編程10000次以上，支持?jǐn)U展IEEE1149．1邊界掃描協(xié)議（JTAG），輸入輸出緩沖器可兼容5V TTL電平，5V CMOS電平，3．3V及2．5V CMOS電平，封裝有84腳PLCC，100腳PQFT，100腳TQFP，和160腳PQFP供選擇。
3．3　AD976A簡(jiǎn)介
　　AD976A是ANALOGDEVICE公司生產(chǎn)的一種高速16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣速率為200ksps，能夠在單電源5V供電情況下工作，具有極低功耗的特點(diǎn)（http：／／www．ANALOG．com，1998）。它的輸入信號(hào)范圍為－10V～＋10V，內(nèi)含時(shí)鐘、2．5V參考電源和誤差校準(zhǔn)電路，使用時(shí)，用戶可選擇外部參考電源亦可選擇內(nèi)部參考電源。芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，最大功率消耗為100mW。AD976A在漂移、增益、線性度和SNR（信噪比）上作了嚴(yán)格的修正。有28引腳DIP、SSOP和SOIC封裝可供選擇。
4　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及工作原理
4．1　A／D轉(zhuǎn)換部分的工作原理
　　多通道高速A／D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣部分的原理框圖如圖3所示。它由一片多路模擬開(kāi)關(guān)MAX306，一片儀器放大器AD620，一片AD976A，兩片數(shù)據(jù)緩沖接口器件74HC245構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元。MAX306是一個(gè)16路的多路模擬開(kāi)關(guān)，本設(shè)計(jì)中輸入了10路模擬量，其中，前9路接入采樣的模擬信號(hào)。為了減小采樣誤差，在信號(hào)進(jìn)入MAX306之前增加了采樣保持LF398進(jìn)行采樣保持，第10路用于電源電壓的監(jiān)視。AD620是一個(gè)高精度的儀器放大器，本系統(tǒng)將其接成放大倍數(shù)為1的工作方式，AD976采用內(nèi)部2．5V電壓基準(zhǔn)源，74HC245作為數(shù)據(jù)緩沖接口，輸入接到AD976A的數(shù)據(jù)線上，輸出接到連接FIFO的輸入數(shù)據(jù)總線上，可以將多個(gè)這樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元并接到總線上，通過(guò)每個(gè)單元的74HC245的使能腳選通。由于設(shè)計(jì)上是可以擴(kuò)展的，即，將多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元數(shù)據(jù)輸出總線并聯(lián)接到FIFO的輸入總線上，所以，采用將AD976A的／BUSY位作為數(shù)據(jù)位最低位讀入。由于是多通道多A／D轉(zhuǎn)換器的工作模式，在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到采樣保持及轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求，并給出了一定的裕度，定時(shí)采樣時(shí)不必判斷A／D轉(zhuǎn)換是否完成，而直接讀取總線上的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，判
斷最低位是否為0來(lái)確定本次采樣數(shù)據(jù)是否有效，如果有效，則右移一位得到有效數(shù)據(jù)，當(dāng)然，這樣會(huì)降低采樣精度，但對(duì)一般的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，15位也已經(jīng)足夠了。如果無(wú)效，則舍棄本次采樣數(shù)據(jù)，并累加無(wú)效次數(shù)，計(jì)數(shù)超過(guò)設(shè)定的次數(shù)，則應(yīng)發(fā)出告警，提示AD976A采樣異常。
4．2　CPLD實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)硬件采樣的原理
　　FIFO與CPLD及與DSP（TMS320F206）、74HC245輸出總線及外圍器件的連接如圖4所示。圖中，X95108芯片的引腳只畫(huà)出了與采樣有關(guān)的一部分，另外與DSP接口及存儲(chǔ)器等的片選信號(hào)沒(méi)有畫(huà)出。
　　FIFO的D0～D15連接到A／D轉(zhuǎn)換單元的74HC245的輸出數(shù)據(jù)線上，BD0～BD15則連接到DSP芯片的數(shù)據(jù)總線上。／WR? F是由CPLD發(fā)出的將AD976A轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)打入FIFO的寫(xiě)信號(hào)，／RD? F是DSP采樣數(shù)據(jù)從FIFO芯片中讀出的讀信號(hào)。/RST? F復(fù)位FIFO芯片的信號(hào)，S／H是啟動(dòng)采樣保持器工作在采樣還是保持狀態(tài)的控制信號(hào)，CH0～CH3是每一片A／D芯片的輸入通道選擇。由于每次采樣前會(huì)復(fù)位FIFO器件，所以，每次采樣開(kāi)始時(shí)的讀指針和寫(xiě)指針均指向第一個(gè)物理存儲(chǔ)地址，只要采樣的數(shù)據(jù)不超過(guò)256個(gè)字，／EF和／FF標(biāo)志可以不讀入判斷，實(shí)際上，／EF和／FF標(biāo)志引腳雖然連接到了X95108，但沒(méi)有處理。X95108實(shí)現(xiàn)時(shí)序的控制，包括：?jiǎn)?dòng)采樣，鎖存數(shù)據(jù)，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)打入FIFO存儲(chǔ)器，通道號(hào)遞增重復(fù)下一通道采樣。
　　硬件控制采樣邏輯實(shí)際上就是CPLD與采樣保持器、A／D轉(zhuǎn)換器、FIFO的時(shí)序配合，時(shí)序由CPLD在DSP觸發(fā)采樣后自動(dòng)完成。
　　DSP芯片上電初始化時(shí)就給FIFO器件發(fā)一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使FIFO器件的讀指針和寫(xiě)指針復(fù)位，指向第一個(gè)物理單元，同時(shí)，去觸發(fā)CPLD進(jìn)入第一通道的采樣邏輯，CPLD硬件邏輯如圖5所示。
　　由于FIFO器件的讀和寫(xiě)是完全獨(dú)立的，所以，DSP芯片在每一個(gè)定時(shí)中斷中，直接一次性地將所有采樣數(shù)據(jù)從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，放入DSP的內(nèi)存區(qū)域供處理，讀完數(shù)據(jù)后，復(fù)位FIFO器件并重新觸發(fā)CPLD執(zhí)行下一點(diǎn)的采樣，退出定時(shí)中斷程序處理數(shù)據(jù)。
　　多個(gè)AD976A的轉(zhuǎn)換是同時(shí)進(jìn)行的，順序進(jìn)行的僅僅是從AD976A將采樣數(shù)據(jù)打入FIFO存儲(chǔ)器和從FIFO讀出采樣數(shù)據(jù)，所以，數(shù)據(jù)最高采樣速率取決于以下幾個(gè)部件的速率，即，采樣保持器的采樣時(shí)間，A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間，A／D中數(shù)據(jù)打入FIFO的時(shí)間，以及從FIFO中讀出數(shù)據(jù)的時(shí)間。通過(guò)選用高速的采樣保持器件和高速的A／D轉(zhuǎn)換器件，可以提高采樣的速率。
　　CPLD程序用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是分析各個(gè)器件的工作時(shí)序和采樣保持時(shí)間，A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間，打入數(shù)據(jù)等。VHDL設(shè)計(jì)的時(shí)序處理的進(jìn)程中，要根據(jù)CPLD工作的頻率計(jì)算各個(gè)等待周期，等器件準(zhǔn)備好以后才能進(jìn)行下一個(gè)處理。如圖5所示，DSP觸發(fā)復(fù)位FIFO信號(hào)和采樣邏輯，CPLD先復(fù)位FIFO，然后啟動(dòng)采樣保持器進(jìn)行采樣，插入等待周期，等采樣完成以后，再發(fā)出命令使采樣保持器保持?jǐn)?shù)據(jù)，然后啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，插入等待周期，即理論上的轉(zhuǎn)換完成時(shí)間加上一定的時(shí)間裕度，等待A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后將數(shù)據(jù)打入FIFO，遞增模擬通道號(hào)，進(jìn)行下一通道的采樣。
5　結(jié)束語(yǔ)
?? 本文提出了一種易與各種單片機(jī)系統(tǒng)接口的由純硬件電路控制的多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于本采樣電路是多通道高速采樣，所以要合理地設(shè)計(jì)直流電源，在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，要注意合理布局和設(shè)置良好的靜電屏蔽，還要考慮電磁干擾問(wèn)題。如果是擴(kuò)展多個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，A／D選擇的讀入信號(hào)為X95108上的／BRD1～／BRD4，在X95108上還可以擴(kuò)展讀入信號(hào)，以增加A／D轉(zhuǎn)換器，這時(shí)更應(yīng)該注意總線的布局。它的自動(dòng)采樣硬件電路主要采用CPLD和FIFO技術(shù)設(shè)計(jì)而成。該裝置可以實(shí)現(xiàn)多路模擬量的高速采集。在實(shí)際應(yīng)用工頻電流電壓采樣中，可以采集36路模擬量，每個(gè)周波（20ms）采樣32點(diǎn)，工作非常穩(wěn)定可靠，值得推廣。

1　李維波，毛承雄，李啟炎，等．大型電力設(shè)備直流電阻智能化測(cè)試儀的研究．計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2001（5）：22～24
2　李維波，毛承雄，李啟炎，等．陡脈沖大電流的Rogowski測(cè)　　量線圈仿真研究．高電壓技術(shù)，2002，28（8）：11～133　竇振中編著．單片機(jī)外圍器件使用手冊(cè)——存儲(chǔ)器分冊(cè)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998
4　朱明程編著．XILINX數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)集成技術(shù)．南京：東南大學(xué)出版社，2001
5　李剛，林凌，葉文宇編著．TMS320F206DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002