基于FPGA的簡易電壓表設(shè)計

　　傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表設(shè)計通常以大規(guī)模ASIC(專用集成電路)為核心器件，并輔以少量中規(guī)模集成電路及顯示器件構(gòu)成。這種電壓表的設(shè)計簡單、精確度高，但是由于采用了ASIC器件使得它欠缺靈活性，其系統(tǒng)功能固定，難以更新擴(kuò)展。而應(yīng)用FPGA設(shè)計的電壓表，采用FPGA芯片控制通用A/D轉(zhuǎn)換器，可使速度、靈活性大大優(yōu)于通用數(shù)字電壓表。、

　　本文采用STEP-MAX10M08核心板和STEP Base Board V3.0底板來完成簡易電壓表設(shè)計，我們將設(shè)計拆分成三個功能模塊實現(xiàn)：

　　ADC081S101_driver： 驅(qū)動SPI接口ADC芯片實現(xiàn)模擬電壓信號采集。

　　bin_to_bcd：將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BCD碼的方法。

　　Segment_led：通過驅(qū)動獨(dú)立式數(shù)碼管將電壓數(shù)據(jù)顯示出來。

　　Top-Down層次設(shè)計

　　模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　1. ADC介紹

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。

　　模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)結(jié)合模型

　　并行ADC和串行ADC模型

　　上圖兩個都是8位ADC模型，分辨率為 2的8次方等于256，即將Vref分成256份，能夠分辨的模擬步進(jìn)為Vref / 256，量化數(shù)據(jù)N = 256 * Vin / Vref 。

　　并行ADC與數(shù)字電路接口包含一根clk和8根data管腳，clk為芯片時鐘管腳，data為芯片數(shù)據(jù)管腳，每個clk周期從data管腳采集8bit的數(shù)據(jù)，完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，所以clk頻率等于采樣率。

　　串行ADC(以ADC081S101為例)與數(shù)字電路接口為三根線(cs，clk，din)，兼容三線SPI總線，cs為芯片使能管腳，clk為芯片時鐘管腳，din為芯片數(shù)據(jù)管腳，當(dāng)ADC芯片使能時每個clk周期從din采集1bit的數(shù)據(jù)，但是根據(jù)ADC081S101的時序，需要16個clk完成一次采樣，所以clk頻率至少等于采樣率的16倍。

　　2. ADC模塊電路連接

　　本設(shè)計所采用的STEP Base Board V3.0底板上的ADC模塊電路，其電路圖如下：

　　ADC模塊電路

　　FPGA直接連接ADC081S101芯片的控制端，ADC有6個管腳，3腳Vin為VCC和Vref功能復(fù)用，即Vin = VCC = Vref。ADC前端是運(yùn)放電路LMV721，運(yùn)放模塊為電壓跟隨電路，再往前端是一個跳冒排針，用來選擇ADC采樣信號的來源，當(dāng)短路帽將1、2腳短路時，ADC采集電位計電壓，當(dāng)短路帽將2、3腳短路時，ADC采射頻端子或P4排針信號。本設(shè)計我們是采集旋轉(zhuǎn)編碼器的電壓，所以需要用短路帽將1、2腳短路。

　　3. ADC模塊驅(qū)動設(shè)計

　　ADC081S101串行通信時序如下圖：

　　注：

　　1. SCLK空閑時為高電平，CPOL = 1，上升沿(第二個邊沿)采樣，CPHA = 1，如果例化通用SPI核完成設(shè)計，需要采用SPI的第四種工作模式。

　　2. CS信號拉低有效，經(jīng)過16個時鐘完成一次ADC轉(zhuǎn)換并采樣，采樣回來的數(shù)據(jù)前3位無效，接下來為DB7~DB0(有效數(shù)據(jù))，再接下來為無效數(shù)據(jù)。

　　針對ADC081S101時序，我們用Verilog設(shè)計一個計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器值不同時完成不同操作，實現(xiàn)一次ADC采樣，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

　　到這我們就完成了串行ADC芯片ADC081S101的驅(qū)動設(shè)計，整個采樣周期用了35個系統(tǒng)時鐘，如果我們采用12MHz時鐘作為該模塊系統(tǒng)時鐘，采樣率Fs = 12M/35 = 343Ksps，ADC主頻Fsclk = 12 MHz /2 = 6MHz。

　　ADC081S101主頻及采樣率要求如下，按照要求我們當(dāng)前的主頻和采樣率不足，所以在使用該模塊時，可以使用更高的時鐘(比如24MHz)以達(dá)到芯片的要求

　　注：時鐘頻率Fsclk，最小值為10MHz，最大值為20MHz，采樣率在500Ksps~1Msps

　　模塊接口如下：clk和rst_n為系統(tǒng)時鐘及復(fù)位，adc_cs，adc_clk和adc_dat為ADC控制管腳，adc_data為ADC采樣數(shù)據(jù)，adc_done產(chǎn)生一個脈沖對應(yīng)adc_data得到一個有效數(shù)據(jù)

　　4. 時鐘獲取

　　因為需要更高的時鐘供ADC模塊使用，我們例化pll核得到24MHz時鐘，同時例化pll模塊和ADC081S101_driver模塊，并將pll的輸出與ADC081S101_driver模塊的clk連線。

　　Pll模塊和ADC081S101_driver模塊的連接程序?qū)崿F(xiàn)如下：

　　5. 采樣結(jié)果顯示

　　假設(shè)ADC模擬輸入電壓為3.3V，理論上我們得到的采樣數(shù)據(jù)adc_data應(yīng)該為8’hff，而電壓表最終顯示在數(shù)碼管上的數(shù)據(jù)應(yīng)該為3.3，我們?nèi)绾螌?’hff轉(zhuǎn)換成可以顯示的3.3數(shù)據(jù)呢?這就設(shè)計到ADC量化數(shù)據(jù)的逆向運(yùn)算了。

　　我們知道量化運(yùn)算 N = 256 * Vin / Vref，

　　那么逆向運(yùn)算為Vin = N * Vref / 256，其中Vref = 3.3V，所以Vin = N * 0.0129

　　所以我們需要用FPGA計算adc_data * 0.0129的結(jié)果，然后為了使用十進(jìn)制的顯示，先將結(jié)果進(jìn)行BCD轉(zhuǎn)碼，然后顯示在數(shù)碼管上。

　　將ADC采樣數(shù)據(jù)按規(guī)則轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)據(jù)(乘以0.0129)，這里我們直接乘以129，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過BCD轉(zhuǎn)碼后小數(shù)點(diǎn)左移4位即可，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

　　二進(jìn)制轉(zhuǎn)BCD碼程序?qū)崿F(xiàn)如下：

　　最后得到20位的數(shù)據(jù)輸出，每4位表示一個BCD碼，所以有5位有效數(shù)據(jù)，這里我們還需要將小數(shù)點(diǎn)左移4位，計算出來的數(shù)應(yīng)該是X.XXXX伏特，1個整數(shù)位和4個小數(shù)位，核心板上只有兩個數(shù)碼管，取最高的兩個BCD碼顯示到數(shù)碼管X.X伏特，個位小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮，分位小數(shù)點(diǎn)熄滅，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

　　綜合后的設(shè)計框圖如下：

　　RTL設(shè)計框圖

　　到這一步就完成了基于FPGA的簡易電壓表設(shè)計。將程序下載到FPGA中，STEP Base Board V3.0底板上P3接口的1、2腳短路，旋轉(zhuǎn)底板右上角的電位計，觀察核心板數(shù)碼管變化，也可同時用萬用表測量P3短路處的電壓，與數(shù)碼管上的結(jié)果對比。

　　實物圖：