基于FPGA的簡(jiǎn)易電壓表設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)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(jì)簡(jiǎn)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(jì)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(lái)完成簡(jiǎn)易電壓表設(shè)計(jì)，我們將設(shè)計(jì)拆分成三個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)：

　　ADC081S101_driver： 驅(qū)動(dòng)SPI接口ADC芯片實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號(hào)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(guò)驅(qū)動(dòng)獨(dú)立式數(shù)碼管將電壓數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

　　Top-Down層次設(shè)計(jì)

　　模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1. ADC介紹

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見(jiàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)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(gè)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(shí)鐘管腳，data為芯片數(shù)據(jù)管腳，每個(gè)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(shí)鐘管腳，din為芯片數(shù)據(jù)管腳，當(dāng)ADC芯片使能時(shí)每個(gè)clk周期從din采集1bit的數(shù)據(jù)，但是根據(jù)ADC081S101的時(shí)序，需要16個(gè)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(jì)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(gè)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(gè)跳冒排針，用來(lái)選擇ADC采樣信號(hào)的來(lái)源，當(dāng)短路帽將1、2腳短路時(shí)，ADC采集電位計(jì)電壓，當(dāng)短路帽將2、3腳短路時(shí)，ADC采射頻端子或P4排針信號(hào)。本設(shè)計(jì)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(dòng)設(shè)計(jì)

　　ADC081S101串行通信時(shí)序如下圖：

　　注：

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

　　2. CS信號(hào)拉低有效，經(jīng)過(guò)16個(gè)時(shí)鐘完成一次ADC轉(zhuǎn)換并采樣，采樣回來(lái)的數(shù)據(jù)前3位無(wú)效，接下來(lái)為DB7~DB0(有效數(shù)據(jù))，再接下來(lái)為無(wú)效數(shù)據(jù)。

　　針對(duì)ADC081S101時(shí)序，我們用Verilog設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器值不同時(shí)完成不同操作，實(shí)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(dòng)設(shè)計(jì)，整個(gè)采樣周期用了35個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，如果我們采用12MHz時(shí)鐘作為該模塊系統(tǒng)時(shí)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(shí)，可以使用更高的時(shí)鐘(比如24MHz)以達(dá)到芯片的要求

　　注：時(shí)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(shí)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(gè)脈沖對(duì)應(yīng)adc_data得到一個(gè)有效數(shù)據(jù)

　　4. 時(shí)鐘獲取

　　因?yàn)樾枰叩臅r(shí)鐘供ADC模塊使用，我們例化pll核得到24MHz時(shí)鐘，同時(shí)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(jì)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(jì)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(guò)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(gè)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(jì)算出來(lái)的數(shù)應(yīng)該是X.XXXX伏特，1個(gè)整數(shù)位和4個(gè)小數(shù)位，核心板上只有兩個(gè)數(shù)碼管，取最高的兩個(gè)BCD碼顯示到數(shù)碼管X.X伏特，個(gè)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(jì)框圖如下：

　　RTL設(shè)計(jì)框圖

　　到這一步就完成了基于FPGA的簡(jiǎn)易電壓表設(shè)計(jì)。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(jì)，觀察核心板數(shù)碼管變化，也可同時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)量P3短路處的電壓，與數(shù)碼管上的結(jié)果對(duì)比。

　　實(shí)物圖：