畢業(yè)論文-基于FPGA通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計說明書1 緒論1.1 課題的研究背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新技術(shù)革命將把人類由工業(yè)化社會推進到信息化社 儲為主要內(nèi)容的數(shù)據(jù)采集測試技術(shù)，已形成了一門專門的技術(shù)科學(xué)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機、智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在智能儀器中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無論是過程控制、狀態(tài)監(jiān)測，還是故障診斷、質(zhì)量檢測，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1。數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，具體地說，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換為計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機或相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)，根據(jù)不同需要進行相應(yīng)的計

2、算和處理，得出所需要的數(shù)據(jù)。與此同時，將計算機得到的數(shù)據(jù)進行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中的一部分數(shù)據(jù)還將被控制生產(chǎn)過程中的計算機控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。存儲測試系統(tǒng)是一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，包括數(shù)據(jù)采集記錄硬件和計算機數(shù)據(jù)分析處理軟件；一般情況下，將信息量化采集后先存入系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲器，等任務(wù)執(zhí)行完后再進行事后的數(shù)據(jù)讀取和分析；數(shù)據(jù)采集記錄硬件部分在工作完成后進行回收，以便進行數(shù)據(jù)回讀2。一個大型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由以下幾個部分組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、分析和顯示等。數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展離不開傳感器和計算機控制技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化測量、采集和控制是其發(fā)展的必然趨

3、勢。數(shù)據(jù)采集幾乎無孔不入，它已滲透到了地質(zhì)、醫(yī)藥器械、雷達、通訊、遙感遙測等各個領(lǐng)域，為我們更好的獲取信息提供了良好的基礎(chǔ)。目前，數(shù)據(jù)采集測試技術(shù)已經(jīng)在許多重大武器型號的研究、研制、生產(chǎn)、驗收和使用中得到成功應(yīng)用，并取得了一系列重要科研成果。在航空、航天、機械、電子等多個領(lǐng)域，解決了過去無法解決的重大測試難題，顯示出了突出的優(yōu)越性。1.2 課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景近幾年，Internet網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，各式各樣的網(wǎng)概念個技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如電子商務(wù)（B2B、B2C等）、對等網(wǎng)絡(luò)（P2P）、Net、移動電子商務(wù)、無所不在的電子計算等等，他們改變著人們的生活和工作，同時也深刻的影響著工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的各種采集

4、、控制、監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Date Acquisition System,簡稱DAS）目前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，在工業(yè)領(lǐng)域存在大量遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這些系統(tǒng)支持著工業(yè)領(lǐng)域，如電力、軍事、通信等各種生產(chǎn)的正常運行。具體應(yīng)用如水、電、煤氣調(diào)度SCADA系統(tǒng)，電力變電站綜合自動化系統(tǒng)等。在這些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中訪問裝置數(shù)據(jù)源是必須的功能，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是工業(yè)控制和監(jiān)控系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是存儲測試技術(shù)的一個重要組成部分，是以傳感器、信號測量與處理、計算機等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理及控制等作業(yè)，具有很強的使用性。目前，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已廣

5、泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測自動試系統(tǒng)、智能儀器儀表、遙感遙測、通訊設(shè)備、機器人、高檔家電等方面?？梢灶A(yù)見，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將在雷達、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、無損監(jiān)測、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動控制以及生物醫(yī)學(xué)工程眾多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。特別是計算機的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化可以更好地協(xié)調(diào)工作，增強系統(tǒng)的可靠性，勢必推動數(shù)據(jù)采集在更加廣闊的領(lǐng)域應(yīng)用3。1.3 課題的提出與要求 現(xiàn)在，以PC作為平臺發(fā)展的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為當(dāng)前數(shù)據(jù)采集技術(shù)的重要發(fā)展方向。國外很多公司與廠商都投入巨資進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制開發(fā)與生產(chǎn)銷售，其中比較著名的有NEFF、IOTEC

6、H、NI、HP、TEK、ZONIC和VMIC等。他們不斷推出各種性能優(yōu)異、種類齊全的產(chǎn)品。現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的有這么幾類采集系統(tǒng)，ISA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、SCXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前，雖然市場上有很多不同類型的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，但這類產(chǎn)品還存在諸如功能單一、通用性差、操作復(fù)雜，并且對測試環(huán)境要求較高等問題，這些都限制了其具體應(yīng)用的范圍，這也迫使我們必須從實際出發(fā)，設(shè)計一套高速的、較為通用的系統(tǒng)，本課題正是基于這一背景下提出來的。本課題的主要目的就是，設(shè)計一個數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，對被測參數(shù)進行實時數(shù)據(jù)采集、存儲。該系統(tǒng)完成以下幾種信號的采集：1六十

7、四路模擬信號，電壓范圍05V2八路無源開關(guān)量信號。 3一路數(shù)字脈沖信號，信號形式為TTL電平信號或低電平0V、高電平12V的脈沖信號。 1.4 整體設(shè)計方案根據(jù)被測參數(shù)要求，提出系統(tǒng)整體設(shè)計方案，其系統(tǒng)框圖如圖1. 1所示。 模擬量采集模塊數(shù)字量采集模塊開關(guān)量采集模塊中心控制模塊存儲器接口電路PC機圖 1.1 整體設(shè)計方案整個系統(tǒng)由信號采集模塊、存儲器模塊、中心控制模塊、接口電路以及其他的外圍輔助電路組成。信號采集模塊是存儲測試中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著獲取信息的質(zhì)量和采集測試的精度。模擬信號的采集電路通常由跟隨器、模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、緩沖器等部分組成。被采集的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后存入存

8、儲器。電路的整個時序由邏輯控制模塊協(xié)調(diào)控制。數(shù)字量和開關(guān)量的采集電路同樣是在主控制模塊的控制下進行的。主控制模塊由FPGA及其外圍電路組成。FPGA是控制模塊的核心部分。主要完成A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘選取、數(shù)據(jù)的存儲計算以及相應(yīng)的控制邏輯、實現(xiàn)與PC機的通信等控制任務(wù)。 微型計算機與I/O設(shè)備的接口按照傳輸數(shù)據(jù)方式的不同，可分為并行接口和串行口兩種。前者使傳輸數(shù)據(jù)的各位同時在總線上傳輸，后者則使數(shù)據(jù)一位一位的傳輸。并行傳輸又有字并行和字節(jié)并行之分，并行接口一般實現(xiàn)的是字節(jié)并行傳輸。本課題采用并口傳輸方式。 存儲器模塊在系統(tǒng)中主要完成數(shù)字信息的存儲。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的整體

9、結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：模擬開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器存儲器接口電路PC機電壓跟隨器64路模擬信號FPGA中心控制電路1路數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)換8路開關(guān)信號隔離電路驅(qū)動電路圖 2.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖2.2 模擬信號采集通道的設(shè)計存儲測試系統(tǒng)常常需要多通道同時采集。在此情況下，若是在每個通道都設(shè)置一套模擬傳輸及量化器，是不經(jīng)濟的，有時也是不必要的，特別在有限的體積內(nèi)有時甚至是不可能的，因此，本系統(tǒng)要根據(jù)被測信號的特點與測試要求，模擬信號采集通道采用多路轉(zhuǎn)換器，用最簡單的硬件電路完成多路信號的存儲測試。模擬信號采集通道的框圖如圖2.2所示：緩沖器模擬開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器64路模擬信號圖 2.2 模擬信號采集通道圖在本系

10、統(tǒng)中，模擬輸入信號的電壓范圍是05V。本課題采用LM324運算放大器作為電壓跟隨器，用來穩(wěn)定輸入信號，增加AD9221的輸入阻抗。 LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。在本系統(tǒng)中，考慮到模擬輸入信號有64路，所以采用模擬開關(guān)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸是很有必要的。2.3 數(shù)字信號采集通道的設(shè)計1路數(shù)字信號，由于輸入是TTL電平信號或低電平0V、高電平12V的脈沖信號。所以數(shù)字信號必須經(jīng)過電平調(diào)整處理，才能

11、夠存入存儲器（存儲器輸入電壓為3.3V，后面會有介紹）。下面是一個調(diào)壓電路:D1是一個3.3V的穩(wěn)壓管，如果輸入電壓大于3.3V，則將AS1輸出電壓鉗制在3.3V，起到了調(diào)壓的作用。如果是低于3.3V，那么電壓將不改變。圖2.3 調(diào)壓電路2.4 開關(guān)量采集通道的設(shè)計 開關(guān)信號分為有源和無源兩種，開關(guān)信號需要經(jīng)過隔離和驅(qū)動才能與執(zhí)行機構(gòu)相連接。造成執(zhí)行機構(gòu)的誤動作。開關(guān)量隔離的目的在于直接電氣聯(lián)系，以防地電位差、外界電磁場等干擾因素。在本設(shè)計中，采用光電耦合器件作為隔離器件，74HC14作為驅(qū)動器件2.4.1 開關(guān)量隔離電路的設(shè)計 光電耦合器件是以光為媒介傳輸信號的電路，如圖2.4所示。發(fā)光二極

12、管和光敏三極管封裝在同一個管殼內(nèi)，發(fā)光二極管的作用是將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，光敏三極管接受光信號再將它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?光電耦合器件的特點是：輸出信號與輸入信號在電氣上完全隔離，抗干擾能力強，隔離電壓可達千伏以上。無觸點，壽命長，可靠性高。響應(yīng)速度快，易于TTL電路配合使用。圖2.4 開關(guān)量隔離電路 圖2.4電路的工作過程如下：當(dāng)輸入為低電平時，流過發(fā)光二極管的電流為零，光敏三極管截止，輸出為高電平。當(dāng)輸入為高電平時，電流經(jīng)R71流經(jīng)發(fā)光二極管使其發(fā)光，光信號的作用于光敏三極管，使其飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。所以光電耦合器件兼有反相及電平轉(zhuǎn)換的作用。R71為限流電阻，其阻值決定了發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流

13、，此電流一般選為數(shù)毫安。R72的取值要保證輸出的高、低電平要求。光電耦合器件的一個重要參數(shù)是電流傳輸比CTR，當(dāng)輸入為高電平時，須使R72+V/（CTR*輸入電流）才能保證輸出為低電平。如果R72選的太大，則輸出電壓帶動拉電流負載的能力減弱，光敏三極管的暗電流也會對輸出高電平造成不利影響。因此，需要綜合各方面的因素來確定R72的阻值。2.4.2 開關(guān)量驅(qū)動電路的設(shè)計開關(guān)量驅(qū)動電路采用TTL三態(tài)門緩沖器，本設(shè)計采用74HC14，它的驅(qū)動能力要高于一般的TTL電路，如圖2.5所示。74HC14是六芯片集成電路，內(nèi)部包含六組形式完全相同的反相器，除電源共用外，六組反相器相互獨立。74HC14 是施密

14、特輸入反相器芯片, 輸入電平從低到高的翻轉(zhuǎn)電平高于從高到低的翻轉(zhuǎn)電平, 使輸入緩慢變化或不太規(guī)則變化的邊沿整形成陡峭的邊沿. 施密特輸入只是使得上跳沿和下降沿變得比原始輸入信號的上升和下降更加陡峭一些，也就是在數(shù)字電路起整形作用。圖2.5 開關(guān)量驅(qū)動電路2.5 模擬開關(guān)的選擇 模擬開關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的主要器件之一，它的作用是切換各路輸入信號。在測控系統(tǒng)中，被測物理量通常是幾個或幾十個。為了降低成本和減小體積，系統(tǒng)中通常使用公共的采樣保持器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換等器件，因此需要使用多路開關(guān)輪流把各路被測信號分時地與這些公用器件接通。多路開關(guān)有機械觸點式開關(guān)和半導(dǎo)體模擬開關(guān)。機械觸點式開關(guān)中最常用

15、的是干簧繼電器，它的導(dǎo)通電阻小，但切換速度慢。集成模擬電子開關(guān)的體積小，切換速率快，無抖動，耗電小，工作可靠，容易控制。它的缺點是導(dǎo)通電阻較大，輸入電壓電流容量有限，動態(tài)范圍小。在較低頻段上（f<10MHz）的集成模擬電子開關(guān)，通常采用CMOS工藝制成；而在較高頻段上（f>10MHz）則采用雙極型晶體管工藝技術(shù)。集成模擬電子開關(guān)在測控技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。在設(shè)計中往往要用到模擬開關(guān)，對于不同的用途需要選擇不同的模擬開關(guān)。在選擇時要考慮以下參數(shù):1、通道數(shù)量通道數(shù)量對傳輸?shù)谋粶y信號的精度和切換速度有直接的影響，因為通道數(shù)目越多，寄生電容和泄露電流通常也越大，特別是在使用集成模擬開關(guān)時，

16、雖然只有其中一路導(dǎo)通，但由于其他模擬開關(guān)斷開時（此時處于高阻狀態(tài)）仍存在漏電流，從而也要對導(dǎo)通的那一路開關(guān)產(chǎn)生影響：通道越多，漏電流越大，通道間的干擾也越多。2、導(dǎo)通電阻理想的多路開關(guān)其導(dǎo)通電阻應(yīng)為零，斷開電阻應(yīng)為無窮大，但是實際中的模擬開關(guān)無法達到這個要求。模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻會使信號電壓產(chǎn)生跌落，尤其是和低阻抗器件串聯(lián)使用的時候，因此需要考慮開關(guān)電阻。希望導(dǎo)通電阻盡量小。3、開關(guān)時間由于模擬開關(guān)器件中有導(dǎo)通電阻并有寄生電容，這樣就會產(chǎn)生一定的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，通常希望器件具有短的開關(guān)時間。4、泄漏電流指開關(guān)斷開時的泄漏電流。如果信號源內(nèi)阻很大，傳輸?shù)氖请娏髁浚藭r就更需要考慮它的泄漏電流，一般

17、希望泄漏電流越小越好。另外根據(jù)系統(tǒng)實際需要，還要考慮開關(guān)的數(shù)量、種類(幾選一、邏輯控制等)。5、切換速度對于傳輸快速變化的場合，就要求多路開關(guān)的切換速度高，當(dāng)然也要考慮后一段的采樣保持和A/D的速度，從而以最優(yōu)的性價比來選取多路開關(guān)的切換速度4。作為多路選擇開關(guān)，需要多通道快速循環(huán)采集。本系統(tǒng)選擇了開關(guān)速度比較快、泄漏比較小、16選1的模擬選擇開關(guān)ADG506。 AD0506電壓范圍寬、功耗低、泄漏小。其主要的參數(shù)為：低泄漏：20pA(典型值)較低的導(dǎo)通電阻 ：200較高的開關(guān)速度: 導(dǎo)通200ns、 關(guān)閉200ns圖2.6為ADG508在系統(tǒng)中的應(yīng)用。當(dāng)A6=1時，ADG506開始工作，隨著

18、A1、A2、A3和A4的變化，16個通道輪流進行數(shù)據(jù)采集。A1、A2、A3、A4、A6由FPGA提供。當(dāng)A6=1時，ADG506停止工作，數(shù)據(jù)采集結(jié)束。圖 2.6 ADG506在系統(tǒng)中的應(yīng)用2.6 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和計算技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛用，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計思想和制造技術(shù)層出不窮。為滿足各種不同的檢測和控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換電路應(yīng)運而生。有傳統(tǒng)的并行型、逐次逼近型、積分型，也有近年來新發(fā)展起來的一型和流水線型等，各種類型的ADC各有其優(yōu)缺點，可滿足不同的要求。2.6.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分類及其特點目前，模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路主要有以

19、下幾種類型：1、并行比較ADC并行比較ADC是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，通常稱為“閃爍式"ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四部分組成。這種結(jié)構(gòu)ADC的所有位同時轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換時間主要取決于比較器的開關(guān)逮度、編碼器的傳輸時間延遲等。增加輸出位數(shù)對轉(zhuǎn)換時間的影響較小，但隨著分辨率的提高，需要高密度的模擬設(shè)計，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換所需的大量精密分壓電阻和比較器電路。例如，N位ADC需要2n個精密電阻和2(n-1)個并聯(lián)比較器。這類ADC的優(yōu)點是:模數(shù)轉(zhuǎn)換速度高；缺點是分辨率不高，功耗大，成本高。2、逐次逼近型逐次逼近型ADC是應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，它由比較器、DIA轉(zhuǎn)換器、比較

20、寄存器、時鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成。它將采樣輸入信號與已知電壓不斷進行比較，然后轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。主要通過二分探索法求得一數(shù)字碼，使其對應(yīng)的電壓最接近于輸入電壓。這一類型ADC的優(yōu)點:轉(zhuǎn)換速率比較高，采樣速率可達1 MSPS；與其它ADC相比，功耗相當(dāng)?shù)?；轉(zhuǎn)換精度也比較高。在高精度、快速A/D變換中應(yīng)用最為廣泛。3、積分型ADC前面所講到的并行比較ADC和逐次逼近型ADC均屬于直接轉(zhuǎn)換ADC,而積分型和后面所講的壓頻變換型ADC則屬于間接ADC。積分型ADC又稱為雙斜式ADC。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘

21、脈沖進行計數(shù)，根據(jù)時間間隔的值計算出模擬電壓的值，從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。積分型ADC的轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓，因此容易提高它的精度。這類ADC主要應(yīng)用于低速、精密測量等領(lǐng)域。其優(yōu)點是:分辨率高、功耗低、成本低。缺點是:轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在12位時為100300SPS.4、壓頻變換型ADC壓頻變換型ADC是先將輸入模擬信號的電壓轉(zhuǎn)換成頻率與其成正比的脈沖信號，然后在固定的時間間隔內(nèi)對此脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果正比于輸入模擬電壓信號的數(shù)字量。從理論上講，這種ADC的分辨率可以無限增加，只要采樣時間足夠長，即滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是:精度高、價格低、功耗低。缺點是:類

22、似于積分型ADC,其轉(zhuǎn)換速率受到限制，12位時為100300SPS。5、-型ADC與一般的ADC不同，-型ADC不是直接根據(jù)抽樣數(shù)據(jù)的每一個樣值的大小進行量化編碼，而是根據(jù)前一量值與后一量值的差值即所謂的增量的大小來進行量化編碼。-型ADC由兩部分組成，第一部分為模擬-調(diào)制器，第二部分為數(shù)字抽取濾波器。由于-具有極高的抽樣速率，通常比奈奎斯特抽樣頻率高出許多倍，因此-轉(zhuǎn)換器又稱為過抽樣轉(zhuǎn)換器A/D。這一技術(shù)的優(yōu)點:分辨率可高達24位，比積分型及壓頻變換型ADC的轉(zhuǎn)換速率高，可實現(xiàn)低價格、高分辨率的數(shù)據(jù)采集。缺點:當(dāng)高速轉(zhuǎn)換時，需要高階調(diào)制器，在轉(zhuǎn)換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的

23、功耗高。6、流水線型ADC流水線型ADC (pipeline)又稱為子區(qū)式ADC，它由若干級級聯(lián)電路組成，每一級包括一個采樣/保持放大器、一個低分辨率的ADC和DAC以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器?？焖倬_的n位轉(zhuǎn)換器分成兩段以上的子區(qū)(流水線)來完成。流水線ADC不但簡化了電路設(shè)計，還具有如下優(yōu)點:每一級的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正，具有良好的線性和低失調(diào)性；每一級具有獨立的采樣/保持放大器，前一級電路的采樣/保持可以釋放出來用于處理下一次采樣，因此允許流水線各級同時對多個采樣進行處理，從而提高了信號的處理速度，多級轉(zhuǎn)換提高了ADC的分辨率。由此可見這種類型的AD

24、C不僅轉(zhuǎn)換速度較高，而且分辨率也比較高5。2.6.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)無論我們選擇那種A/D轉(zhuǎn)換器，都必須考慮以下幾個主要性能指標:1、分辨率(resolution):分辨率表示A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼，所需輸入模擬電壓的變化量。其值定義為滿刻度電壓與2N之比，其中N為ADC的位數(shù)。例如設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，滿量程電壓為FSR，則A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為:分辨率=FSR/2N。另外可以用百分數(shù)來表示分辨率，此時的分辨率成為相對分辨率。公式為: 相對分辨率=分辨率/FSR·100%。例如一個滿量程電壓為10V的12位A/D轉(zhuǎn)換器，能夠分辨模擬輸入電壓變化的最小值

25、為2.44mV，相對分辨率為:0.0244%.2、量程:量程就是指轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號的電壓范圍。3、絕對誤差：絕對誤差定義為對應(yīng)于輸出數(shù)碼的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。絕對誤差一般在±1/2LSB范圍內(nèi)。絕對誤差包括增益誤差、偏移誤差、非線性誤差，也包括量化誤差。4、量化誤差:量化誤差是由ADC的有限分辨率引起的誤差。在ADC的轉(zhuǎn)移特性曲線中，不計其它誤差的情況下，一個分辨率有限的ADC的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉(zhuǎn)移特性曲線最大偏差，稱之為量化誤差。5、偏移誤差:偏移誤差是指最低有效位為“1”狀態(tài)時的實際輸入電壓與理論輸入電壓之差，這一差值電壓稱作偏

26、移電壓，一般以滿量程電壓值的百分數(shù)表示。6、轉(zhuǎn)換速率:轉(zhuǎn)換速率是指能夠重復(fù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒鐘轉(zhuǎn)換的次數(shù)。11本系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器選用了AD9221。 AD9221是一種低功耗、12位分辨率、1.5M最高轉(zhuǎn)換速率的A/D轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包含有12位的量化器、寬帶采樣保持電路、可編程電壓基準源，采用單電源+5V供電，可以根據(jù)用戶配置，信號以單端方式輸入或是以差分方式輸入。輸出為并行接口，兼容TTL電平。由圖2.5可以看出，AD9220屬于子區(qū)式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，并且采用了數(shù)字校正技術(shù)，AD公司稱之為多級差分管線結(jié)構(gòu)(Multistage differential pipeline

27、architecture)。由于采用了這樣的結(jié)構(gòu)，AD9220可以在1.5Msps時提供11.3為有效位數(shù)(ENOBS)，信號/(噪聲+失真)比為70dB6。圖2.7 AD9221內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.6.3 AD9221在系統(tǒng)中的應(yīng)用 模擬信號從數(shù)據(jù)輸入端VINA輸入，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出12位的數(shù)字信號。圖2.6為AD9221的通用接法。圖中AIN是經(jīng)調(diào)整過的模擬信號，AD9221采用單通道輸入，信號從VINA端輸入。AD9221的時鐘端CLK由FPGA控制提供。圖2.8 AD9221在系統(tǒng)中的應(yīng)用2.7 中心控制模塊的設(shè)計中心控制模塊由FPGA及其外圍電路組成，主要用來對整個電路的時鐘信號進行控制

28、，保證數(shù)據(jù)的正確存入與讀出。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.7所示晶 振EPROMFPGA 供電FPGA 圖2.9 中心控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是近十年加入到用戶可編程技術(shù)行列中的器件。它由邏輯功能塊排列成陣列組成，并由可編程的內(nèi)部連線連接這些邏輯功能塊來實現(xiàn)不同的設(shè)計，可編程門陣列在器件的選擇和內(nèi)部的互連上提供了更大的自由度。FPGA 可以達到比PLD 更高的集成度，但具有更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實現(xiàn)。PLD 與FPGA 之間的主要差別是PLD 通過修改具有固定內(nèi)連電路的邏輯功能來進行編程，而FPGA 是通過修改一根或多根分隔宏單元的基本功能塊的內(nèi)連線的布線來進行編程。因此，F(xiàn)PGA

29、既有門陣列的高邏輯密度和通用性，又有可編程邏輯器件的用戶可編程特性，而且它更接近PCB 的設(shè)計模式。采用FPGA 的優(yōu)點是：在實現(xiàn)系統(tǒng)小型化、集成化和高可靠性的同時，減少了風(fēng)險，降低了成本，縮短了周期7。FPGA 的開發(fā)可以用硬件描述語言（HDL）編程，然后在開發(fā)平臺上進行驗證，最后由EDA 工具自動實現(xiàn)設(shè)計；也可以在開發(fā)平臺中用原理圖的設(shè)計方式，像PCB 設(shè)計方式一樣的設(shè)計FPGA 芯片中的硬件電路。本設(shè)計中，采用Xilinx 公司生產(chǎn)的Spartan XCS05系列的芯片XC2S50作為CPU，XC18V01_PC20 作為EPROM，TPS70358作為供電芯片，詳細介紹見第三章。2.8

30、 存儲器模塊的設(shè)計FLASH MEMORY（閃速存儲器）是一類非易失性存儲器NVM（Non Volatile Memory） 即使在供電電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息；而諸如DRAM、SRAM 這類易失性存儲器，當(dāng)供電電源關(guān)閉時片內(nèi)信息隨即丟失。FLASH MEMORY集其它類非易失性存儲器的特點：與EPROM相比較，閃速存儲器具有明顯的優(yōu)勢在系統(tǒng)電可擦除和可重復(fù)編程而不需要特殊的高電壓（某些第一代閃速存儲器也要求高電壓來完成擦除或編程操作）；與EEPROM相比較，閃速存儲器具有成本低密度大的特點。其獨特的性能使其廣泛的運用與各個領(lǐng)域，包括嵌入式系統(tǒng)，如PC及外設(shè)、電信交換機、蜂窩電話、網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)

31、備、儀器儀表和汽車器件，同時還包括新興的語音、圖像、數(shù)據(jù)存儲類產(chǎn)品，如數(shù)字相機、數(shù)字錄音機和個人數(shù)字助理（PDA）8。本系統(tǒng)采用存儲芯片K9F1G08來進行數(shù)據(jù)的存儲。K9F1G08是一種容量為128M×8Bit的FLASH存儲器，采用NAND閃存技術(shù)工藝完成。具有不揮發(fā)、低功耗、擦寫速度快等特點，并且在掉電后信息不丟失，采用單電源3.3V供電。2.8.1 FLASH MEMORY 的分類及比較在1984年，東芝公司的發(fā)明人Fujio Masuoka 首先提出了快速閃存存儲器(此處簡稱閃存)的概念。與傳統(tǒng)電腦內(nèi)存不同，閃存的特點是非易失性(也就是所存儲的數(shù)據(jù)在主機掉電后不會丟失)，其

32、記錄速度也非?？臁Ｄ壳笆袌錾系膄lash從結(jié)構(gòu)上大體可以分為AND、NAND、NOR等幾種。Intel是世界上第一個生產(chǎn)閃存并將其投放市場的公司。1988年，公司推出了一款256K bit閃存芯片。它如同鞋盒一樣大小，并被內(nèi)嵌于一個錄音機里。后來，Intel發(fā)明的這類閃存被統(tǒng)稱為NOR閃存。它結(jié)合EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)和EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲器)兩項技術(shù)，并擁有一個SRAM接口。 第二種閃存稱為NAND閃存。它由日立公司于1989年研制，并被認為是NOR閃存的理想替代者。NAND閃存的寫周期比NOR閃存短十倍，它的保存與刪除處理的速度也相對較快。NAND的存儲單元只

33、有NOR的一半，在更小的存儲空間中NAND獲得了更好的性能。鑒于NAND出色的表現(xiàn)，它常常被應(yīng)用于諸如CompactFlash、SmartMedia、 SD、 MMC、 XD、 and PC cards、USB sticks等存儲卡上。二十多年的發(fā)展過程中，F(xiàn)lash Memory技術(shù)經(jīng)過了多次變革和發(fā)展。但其變化的總體趨勢一直都是：存儲容量越來越大、數(shù)據(jù)讀寫速度越來越快、性能價格比越來越高。第三種是AND 閃存。AND 技術(shù)是Hitachi 公司的專利技術(shù)。Hitachi和 Mitsubishi共同支持AND技術(shù)的FLASH MEMORY。AND技術(shù)與NAND 一樣采用“大多數(shù)完好的存儲器”

34、概念，目前，在數(shù)據(jù)和文檔存儲領(lǐng)域中是另一種占重要地位的閃速存儲器技術(shù)。該公司生產(chǎn)的芯片尺寸更小、存儲容量更大、功耗更低，一般用于智能電話、個人數(shù)字助理、掌上電腦、數(shù)字相機、便攜式攝像機、便攜式音樂播放機等。NOR結(jié)構(gòu)的特點為相對電壓低、隨機讀取快、功耗低、穩(wěn)定性高，而NAND和AND的特點為容量大、回寫速度快、芯片面積小，且可在芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，eXecute In Place），這樣應(yīng)該程序可以直接在flash內(nèi)存內(nèi)運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。現(xiàn)在，NOR和NAND FLASH的應(yīng)用最為廣泛，在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards、MMC存儲卡以

35、及USB閃盤存儲器市場都占用較大的份額。NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，并且寫入和擦除的速度也很快，是高數(shù)據(jù)存儲密度的最佳選擇。NOR和NAND兩種結(jié)構(gòu)性能上的異同步如下： NOR的讀速度比NAND稍快一些。 NAND的寫入速度比NOR快很多。 NAND的擦除速度遠比NOR快。 NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路也更加簡單。 NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)量約萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。此外，NAND的實際應(yīng)用方式要比NOR復(fù)雜得多。NOR可以直接使用，并在上面直接運行代碼。而NAND需要I/O接口，因此使用時需要驅(qū)動程序。不過當(dāng)今流行的操作系統(tǒng)對NAND Flash都有支持，

36、如風(fēng)河（擁有VxWorks系統(tǒng)）、微軟（擁有WinCE系統(tǒng)）等公司都采用了TrueFFS驅(qū)動，此外，Linux內(nèi)核也提供了對NAND Flash的支持9。2.8.2 K9F1G08管腳描述CLE：命令鎖存使能。其為高時，命令通過I/O口線在WE信號的上升沿被鎖入命令寄存器。ALE：地址鎖存使能。當(dāng)其為高時，地址在WE信號的上升沿被鎖入地址寄存器；當(dāng)其為低時，鎖定輸入數(shù)據(jù)。CE：片使能。讀操作期間，CE變高，器件轉(zhuǎn)入standby模式；編程或擦除期間，器件處于忙狀態(tài)時，CE高將被忽略。WE：寫使能。命令、地址和數(shù)據(jù)在WE信號的上升沿被鎖定。RE：讀使能。下降沿有效。WP：寫保護。在電源電壓過渡期

37、間，使WP為低電平時，可產(chǎn)生寫/擦除保護。R/B：操作狀態(tài)指示。為低電平時，指示正在編程或讀操作中，操作結(jié)束后變成高，開路輸出。I/O口：（I/O0I/O7）三態(tài)。輸入命令、地址和數(shù)據(jù)以及讀操作時輸出數(shù)據(jù)。2.8.3 K9F1G08內(nèi)部結(jié)構(gòu)描述K9F1G08有65536行（頁）乘以2112×8列陣列一共組成1056M存儲器，多余的64列位于列地址20482111。一個2112字節(jié)的高速緩沖存儲器彼此間是連續(xù)相接的，這些存儲器被連接到記憶單元陣列，在頁讀取和編程運行的過程中，為I/O緩沖器和記憶單元之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移提供中間機構(gòu)。記憶陣列由32個單元組成，這些連續(xù)的單元組成了NAND結(jié)構(gòu)，

38、每32個單元屬于不同的的頁。一塊由2個NAND結(jié)構(gòu)鏈組成，而一個NAND由32個單元組成，總共1081344個NAND單元組成了一塊。編程和獨操作是以頁為基礎(chǔ)進行，而塊擦除是以塊為基礎(chǔ)進行。這些記憶陣列由1024個分別有128K字節(jié)的塊組成，它表明，在K9F1G08逐個位的擦除操作是被禁止的。10組織結(jié)構(gòu)如圖2.11所示：圖 2.11 K9F1G08組織結(jié)構(gòu)圖 K9F1GO8已經(jīng)形成多元的8個I/O端口，這樣的安排極大地減少了管腳數(shù)，并且允許系統(tǒng)升級為了將來操作一致性的擴展。在WE和CE處于低電平期間，指令、地址、數(shù)據(jù)被寫通過I/O端口，它們都在WE的上升沿到來時被鎖存。通過I/O管腳，CLE

39、和ALE常用來實現(xiàn)各自的指令和地址功能。有一些要求一個總線周期，例如，重設(shè)指令讀指令等僅要求一個總線周期。而另一些指令，像頁讀取和編程及塊擦除要求兩個周期，一個周期為了建立而另一個周期是執(zhí)行操作。128字節(jié)的物理空間要求28個地址，因此，要求4個周期為地址的建立，兩個周期是列地址，兩個周期是行地址。頁讀取和編程同樣需要四個地址周期跟隨指令要求輸入。然而，在塊擦除操作中，僅僅兩個行地址周期被使用，依靠寫入特殊的指令進入指令寄存器，器件操作才被選中。2.8.4 K9F1G08在系統(tǒng)中的應(yīng)用在FPGA的控制作用下，數(shù)據(jù)存入FLASH中。對于模擬信號，由傳感器采集到的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，暫存于FLAS

40、H內(nèi)部的FIFO中，再送入FLASH存儲器中。對于數(shù)字量和開關(guān)量，經(jīng)信號調(diào)理后，經(jīng)FPGA內(nèi)部編程串并轉(zhuǎn)換后，暫存于FPGA內(nèi)部的FIFO中，再送入FLASH存儲器中。如圖2.10所示： 圖 2.10 K9F1G08在系統(tǒng)中的應(yīng)用2.9 本章小結(jié) 本章主要講述了所設(shè)計的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計，整個系統(tǒng)由四個部分組成，分別是采集部分、控制部分、存儲部分、接口部分。采集到的信號形式有模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量三種，每種信號都有其對應(yīng)的信號處理電路。模擬量要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才能存入FLASH存儲器中。數(shù)字量要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換和FPGA內(nèi)部串并編程后才能存入FLASH存儲器中。開關(guān)量要經(jīng)過隔

41、離、驅(qū)動和FPGA內(nèi)部串并編程后才能存入FLASH存儲器中。其中，模擬通道的選擇、A/D轉(zhuǎn)換、FLASH存儲器的讀、寫、擦除都是在FPGA控制下完成的。3 FPGA 可編程邏輯器件本設(shè)計由于需要用到大量的控制信號，而且又是以計算機為平臺，所以系統(tǒng)中有大量的數(shù)字邏輯電路。如果采用傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯芯片來設(shè)計電路的話，既增加了電路板的面積，而且也增加了電路的不可靠性，另外調(diào)試也不方便。為了解決這些問題，可以借助于近年來迅速發(fā)展的大規(guī)?？删幊虒Ｓ眉呻娐?現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA )。用一片F(xiàn)PGA就可以代替許多分立器件，從而大大簡化了電路板的復(fù)雜程度。下面介紹一下它的結(jié)構(gòu)、特點以及設(shè)計方法。3.1

42、FPGA簡介在可編程邏輯器件芯片內(nèi)部，按一定的排列方式集成了大量的門和觸發(fā)器等基本邏輯元件。使用者可利用特定的計算機開發(fā)工具（軟件包和硬件電路、編程電纜）對其進行加工，即按設(shè)計要求將這些芯片內(nèi)部的元件連接起來（此過程稱為編程或設(shè)置），使之實現(xiàn)完成某個數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)的功能，成為一個可在實際電子系統(tǒng)中使用的專用集成電路（ASIC）隨著集成電路工藝的日臻完善，集成度急劇攀升，功能日益強大。可編程邏輯器件廣闊的應(yīng)用前景備受業(yè)內(nèi)人士的矚目。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，目前應(yīng)用較廣泛的有CPLD和FPGA。 目前，很多學(xué)校和公司都開發(fā)了可編程邏輯器件實驗板，這些實驗板上采用了如下幾個公司的產(chǎn)品： Xilin

43、x 公司 主要產(chǎn)品為FPGA和CPLD，目前各學(xué)校和公司制做實驗板的常用芯片為FPGA 4000系列，Spartan XCS05和XC95108系列CPLD。Lattice 公司 該公司已經(jīng)和AMD公司合并，該公司生產(chǎn)GAL和CPLD產(chǎn)品，目前各學(xué)校和各公司制作實驗板的常用芯片為ISP1016和可編程開關(guān)GDS14.。AMD 公司 該公司生產(chǎn)MACH系列產(chǎn)品，常用芯片為MACH4-128和MACH211SP-15JC。Altera 公司 該公司生產(chǎn)FPGA和EPLD，常用芯片為EPLD7000系列產(chǎn)品7128和FPGA10K系列產(chǎn)品10K10Lattice公司介紹：Lattice是ISP（在線

44、可編程）技術(shù)的發(fā)明者，ISP技術(shù)極大的促進了PLD產(chǎn)品的發(fā)展，80年代和90年代初是其黃金時期，但很快被Xilinx，Altera超過。與ALTERA和XILINX相比，其開發(fā)工具比略遜一籌。中小規(guī)模PLD比較有特色，種類齊全。99年收購Vantis（原AMD子公司）,2001年收購Lucent微電子的FPGA部門，是世界第三大可編程邏輯器件供應(yīng)商。目前Lattice公司在上海設(shè)有研發(fā)部門13。3.2 FPGA基本內(nèi)部構(gòu)造及功能分析FPGA是可編程邏輯器件，屬于特殊ASIC芯片的一類，是在PAL、 GAL等可編程邏輯器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同以往的PAL、GAL等相比較:FPGA的規(guī)模比較大，適

45、合于時序、組合邏輯等電路應(yīng)用場合，可以替代幾十塊甚至上百塊通用分立IC芯片，盡管FPGA以及其它類型的PLD器件的結(jié)構(gòu)各有其特點和處，但是概括起來它都是由三大部分組成的: l 一個二維的邏輯塊陣列，構(gòu)成CPLD器件的邏輯組成核心. l 輸入/輸出塊. l 連接邏輯塊的互聯(lián)資源，連線資源由各種長度的線段組成，也包括用于連接邏輯塊之間，邏輯塊與輸入輸出部分的可編程連接開關(guān)。圖 3.1 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖同樣，還有一個時鐘電路用于驅(qū)動時鐘信號到每一個邏輯模塊中的每一個觸發(fā)器。另外，還可能有額外的邏輯資源，像ALU、存儲器和譯碼器14。3.2.1 可編程邏輯塊陣列可配置邏輯模塊（CLB）包含了FPGA

46、的可編程邏輯。典型的CLB，它包含了用于任意組合邏輯函數(shù)的RAM；還包含了用于鐘控存儲單元的觸發(fā)器和多路選擇器，這樣就便于在模塊中為邏輯電路布線以及模塊內(nèi)部的邏輯電路與外部資源之間的布線連接。這些多路選擇器還允許極性的選擇、復(fù)位輸入和清除輸入選擇。注意，邏輯輸出不需要通過觸發(fā)器。設(shè)計者可以利用一個CLB產(chǎn)生簡單的組合邏輯。正因為如此，多個CLB能夠，而且經(jīng)常被連接在一起，以實現(xiàn)復(fù)雜的布爾邏輯。FPGA的這種優(yōu)于CPLD的優(yōu)點，意味著設(shè)計者能夠用幾個CLB串聯(lián)在一起來實現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯。不幸的是，在一個FPGA中傳遞時是全部延時的總量。因此這個優(yōu)點也導(dǎo)致了所做的設(shè)計在速度方面的全面下降15。3.

47、2.2 可編程輸入/輸出塊可配置I/O模塊適用于將信號傳送到芯片上，然后再將信號傳出芯片。輸出緩沖器B1有可編程的控制器，它們可以是緩沖器成為三態(tài)或集電極開路狀態(tài)，并且可控制緩沖器的輸出擺率。這些控制端允許FPGA輸出到大多數(shù)標準的TTL或CMOS器件。輸入緩沖器B2能夠被編程為不同的輸出閾值電壓。典型的閾值電壓為TTL或CMOS電平，以便于和TTL或CMOS器件相接口。在每一個引腳上的輸入和輸出緩沖器的組合以 及它們的可編程性，意味著每一個I/O模塊都可以被用于一個輸入信號、一個輸出信號或者一個雙向信號。3.2.3 互連資源FPGA的互連電路與CPLD的完全不同，但它卻非常類似于一個門陣列A

48、SIC的互連電路。圖3.2示出了互連資源的可配置邏輯模塊（CLB）結(jié)構(gòu)。每一個CLB都被連接到與它緊挨著的其他CLB上，如圖中左上角所示CLB。這些連線有時被稱作短線（注意，為簡單起見，圖中只畫出了左上角CLB的連線，實際上，所有四個CLB都有連線分別與最靠近它們的其他CLB相連。這些連線使得那些因過于復(fù)雜而無法裝入某個單一CLB的邏輯能夠被分開裝入多個CLB）16。圖 3.2 互連資源其他的路徑資源由經(jīng)緯連線所組成。這些連線在到達開關(guān)矩陣之前經(jīng)過許多CLB。這些開關(guān)矩陣允許信號從一個開關(guān)矩陣傳遞到另一個開關(guān)矩陣，再傳遞到下一個開關(guān)矩陣，最后連接到CLB。這些CLB可能彼此相互關(guān)聯(lián)，但又互相原

49、理。這種傳遞新好方法的缺點是每一條通過某個開關(guān)矩陣的路徑都會導(dǎo)致一個顯著的延時。經(jīng)常的情況是，為了通過芯片傳遞信號，路徑的延時變得比邏輯門的延時還要大17。第三種類型的路徑資源是長線，設(shè)計者可以用它去連接某些條件苛刻的CLB，即這些CLB在芯片上的物理位置彼此相連“甚遠”，而它們之間的連接又不會產(chǎn)生太大的延時。這些長線通常是從一個CLB模塊的末端一直通向另一個CLB模塊，而中間并不與某個開關(guān)矩陣相連。對于條件苛刻的路徑邏輯，長線確保不會產(chǎn)生顯著的延時。長線還可以在芯片當(dāng)中被用作總線。3.2.4 時鐘電路特殊的I/O模塊被分布在芯片的周圍。它具有特殊的高驅(qū)動能力的時鐘緩沖器時鐘驅(qū)動器。這些緩沖器

50、被連接到芯片的時鐘輸入引腳，它們驅(qū)動時鐘信號到全局時鐘線上。這些全局時鐘線以一種被稱之為時鐘樹的結(jié)構(gòu)形式遍布整個器件。這些時鐘顯示為了較小的時鐘上升時間和快速的時鐘傳播時間而設(shè)計的，正如以后要討論的那樣，用FPGA設(shè)計電路必須是同步的，因為利用FPGA的路徑資源不能保證信號的軍隊上升時間和延遲時間。只有當(dāng)使用從時鐘緩沖器而來的時鐘信號時，相關(guān)的延遲和上升時間才能使微小的和可預(yù)測的18。3.3 系統(tǒng)中FPGA的設(shè)計3.3.1 FPGA的通用設(shè)計過程 文本編輯：用任何文本編輯器都可以進行，也可以用專用的HDL編輯環(huán)境。通常VHDL文件保存為.vhd文件，Verilog文件保存為.v文件。 功能仿真

51、：將文件調(diào)入HDL仿真軟件進行功能仿真，檢查邏輯功能是否正確。 邏輯綜合：將源文件調(diào)入邏輯綜合軟件進行綜合，即把語言綜合成最簡的布爾表達式和信號的連接關(guān)系。邏輯綜合軟件會生成.edf（edif）的EDA工業(yè)標準文件。 布局布線：將.edf文件調(diào)入PLD廠家提供的軟件中進行布線，即把設(shè)計好的邏輯安放到PLD/FPGA內(nèi)。 時序仿真：需要利用在布局布線中獲得的精確參數(shù)，用仿真軟件驗證電路的時序。 編程下載：確認仿真無誤后，將文件下載到芯片中19。3.3.2 FPGA時序仿真 在本系統(tǒng)中，設(shè)有FPGA的啟動模塊。圖3.3為此模塊是時序圖： 圖3.3 時序圖 當(dāng)glrn信號是低電平時，系統(tǒng)清零，輸出s

52、tart為高電平，計數(shù)器start_count 置零。當(dāng)glrn信號為高電平時，輸入上升沿有效的時鐘信號 fosc，當(dāng)輸入bstart為低電平時，計數(shù)器最高位為低電平時，開始計數(shù)。反之，將計數(shù)器置零。當(dāng)輸入bstart為高電平時，計數(shù)器最高位為低電平時，開始計數(shù)。反之，將計數(shù)器置零。在本系統(tǒng)中，采用三個手動開關(guān)來控制采集信號的種類，當(dāng)開關(guān)men接通時，系統(tǒng)開始采集模擬量;當(dāng)開關(guān)sen接通時，系統(tǒng)開始采集數(shù)字量；當(dāng)開關(guān) ken接通時，系統(tǒng)開始采集開關(guān)量。圖3.4所示為此模塊的時序圖： 圖3.4 時序圖 3.3.3 模擬量采集模塊的時序仿真在本系統(tǒng)中，采用手動開關(guān)來控制模擬量的采集。當(dāng)采集開始時，

53、閉合開關(guān)men ，表示此時系統(tǒng)正在進行模擬量的采集。在控制作用下，將采集到的信號暫存入FPGA內(nèi)部的fifo中，然后再存入flash芯片中。圖3.5所示為此模塊的時序圖： 圖 3.5 時序圖 當(dāng)glrn為低電平，計數(shù)器置零。反之，當(dāng)glrn為高電平且時鐘信號fosc有輸入時，計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)10count30時，啟動A/D轉(zhuǎn)換，此時clk輸出為低電平。當(dāng)count=35時，進行通道選擇。圖中所示channela1為高電平，其他為低電平時，選通通道a1，對其通道進行循環(huán)選擇。當(dāng)count=41時，開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生12位的數(shù)字信號。當(dāng)41count45和81count85時，選通FPGA內(nèi)置F

54、IFO，當(dāng)count=46時，將12位數(shù)字信號中的高八位存入FIFO中；當(dāng)count=86時，將12位數(shù)字信號中的低四位和通道選擇的四位地址存入FIFO中。數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO再存入FLASH存儲器K9F1G08中。3.3.4 數(shù)字量采集模塊的時序仿真在本系統(tǒng)中，采用手動開關(guān)來控制數(shù)字量的采集。當(dāng)采集開始時，閉合開關(guān)sen ，表示此時系統(tǒng)正在進行數(shù)字量的采集。在控制作用下，將采集到的信號經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后暫存入FPGA內(nèi)部的fifo中，然后再存入flash芯片中。圖3.6所示為此模塊的時序圖： 圖 3.6 時序圖當(dāng)glrn為高電平且時鐘信號fosc有輸入時，計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)10count30時，啟動串并

55、轉(zhuǎn)換，此時clk輸出為低電平。當(dāng)30count40時時，進行串并轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生0.1us的延時。圖中所示當(dāng)count=40時，轉(zhuǎn)換結(jié)束，產(chǎn)生8位的并行數(shù)據(jù)。當(dāng)41count45時，選通FPGA內(nèi)置FIFO，當(dāng)count=46時，將8位數(shù)字信號存入FIFO中。數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO再存入FLASH存儲器K9F1G08中。3.3.5 開關(guān)量采集模塊的時序仿真在本系統(tǒng)中，采用手動開關(guān)來控制開關(guān)量量的采集。當(dāng)采集開始時，閉合開關(guān)ken ，表示此時系統(tǒng)正在進行開關(guān)量的采集。在控制作用下，將采集到的信號經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后暫存入FPGA內(nèi)部的fifo中，然后再存入flash芯片中。串并轉(zhuǎn)換時序圖如圖3.6所示。圖3.7所示為此模塊通道選擇的時序圖：圖 3.7 時序仿真圖3.3.6 存儲器模塊的時序仿真在本系統(tǒng)中，采用FLASH來進行數(shù)據(jù)的存儲。FLASH內(nèi)部有內(nèi)置fifo.采集到的數(shù)據(jù)先暫存fifo中，然后再存入FLASH芯片中。圖3.8所示為此模塊的邏輯符號；圖3.9所示為次模塊的時序圖：圖3.8 邏輯符號圖圖 3.9 時序仿真圖 FPGA內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)圖見附錄B。3.4 本章小結(jié)本章主要講述了所設(shè)計的由XC2S50及其外圍電路組成的中心控