基于CPLD 120MHz高速A/D采集卡設(shè)計

基于CPLD 120MHz高速A/D采集卡設(shè)計

摘　要：介紹了一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的120MHz高速A／D采集卡的設(shè)計方法。給出了這種采集卡的硬件原理電路和主要的軟件設(shè)計思路。采用該設(shè)計方法設(shè)計的數(shù)據(jù)采集卡具有包括負(fù)延遲觸發(fā)等多種觸發(fā)方式，具有體積小，工作可靠，控制簡單等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高速A／D；CPLD；負(fù)延遲觸發(fā)；EPM7128；AD9054

　　高速A／D采集技術(shù)已在許多領(lǐng)域得到愈來愈廣泛的應(yīng)用，本文將詳細(xì)論述采用CPLD技術(shù)來實(shí)現(xiàn)120MHz高速A／D采集卡的設(shè)計方法，該采集卡具有包括負(fù)延遲觸發(fā)在內(nèi)的多種觸發(fā)方式，采用CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件（又稱FPGA）EPM7128SQC100－7和AD公司的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A／D）AD9054BST－135來實(shí)現(xiàn)。

    1  芯片介紹

    1．1 EPM7128SQC100－7簡介

　　EPM7128SQC100－7內(nèi)含128個宏單元（或2500個可用門），其引腳到引腳的最短傳輸延時為7ns，采用單＋5V電源供電，可通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)在線編程，并帶有可供84個用戶使用的I／O腳（其中4個為專用輸入腳）。該器件采用PQFP－100封裝。其中TDI、TDO、TMS、TCLK腳為編程腳；GCLK、GOE、GCLEAR、REDIN腳為專用輸入腳；VCCINT、VCCIO腳接＋5V電源；GND腳接地；I／O為用戶可編程輸入輸出腳。在I／O腳作輸出使用時，可由用戶設(shè)定為0，1和Z三種狀態(tài)。

    1．2 AD9054BST－135簡介  　

　　AD9054BST－135是一種低價位135MSPS的8位A／D轉(zhuǎn)換器，其模擬輸入電壓峰峰值為1V，且內(nèi)置2．5V參考電壓，采用＋5V單電源供電，并可與TTL電平接口，具有單8位或雙8位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出模式，采用TQFP－44腳封裝形式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，各管腳的定義如下：

    AIN：模擬電壓輸入正端；

    ：模擬電壓輸入負(fù)端；

    ENCODE：時鐘輸入正端；

　?。簳r鐘輸入負(fù)端，通常應(yīng)通過電容耦合接地；

　?。狠敵鰯?shù)據(jù)模式設(shè)置引腳。該腳為1時，采用單8位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出模式。該腳為0時，采用雙8位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出模式；

    DS：數(shù)據(jù)同步控制引腳，正脈沖輸入；

    AD7～DA0：A／D轉(zhuǎn)換輸出；

    D B7～DB0：A／D轉(zhuǎn)換輸出；

    V REFOUT：＋2．5V參考電壓輸出；

    V REFIN：參考電壓輸入；

    DVD：＋5V電源輸入端；

    GND：電源地。

　　使用時，如將接地，則AD9054工作于雙8路數(shù)據(jù)輸出模式。上電后，DA7～DA0及DB7～DB0均以二分之一的ENCODE頻率（即120MHz／2）輸出A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此從DA7～DA0及DB7～DB0讀取的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，無法知曉DA口與DB口的數(shù)據(jù)所對應(yīng)的采樣點(diǎn)在時序上的先后。這樣，需要加一個數(shù)據(jù)同步脈沖DS信號，并讓DS正脈沖的后沿后的4個時鐘周期上的DA口與DB口同步有效，即在DS后沿的第2N＋1與2N＋3個ENCODE上升沿期間輸出第K點(diǎn)采樣值的轉(zhuǎn)換結(jié)果；在DS后沿后第2N＋2與2N＋4個ENCODE上升沿期間輸出第K＋1點(diǎn)采樣值的轉(zhuǎn)換結(jié)果（注：N≥1，K≥0，K＝0對應(yīng)的采樣值為DS下降沿后ENCODE第一次上升沿時刻所對應(yīng)的采樣輸入值）。因此，在施加DS信號后就可以得知任一時刻A口數(shù)據(jù)與B口數(shù)據(jù)所對應(yīng)的采樣點(diǎn)在時間上的先后順序，以便讀取有用的A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

    2  系統(tǒng)設(shè)計原理　　

　　圖2是基于CPLD的高速A／D采集卡的系統(tǒng)設(shè)計原理框圖。圖中，89C51送往EPM7128S的控制信號包括一個A／D啟動信號SAD、一個讀SRAM信號RRD和一個地址加一控制脈沖ACLK。而EPM7128S送往AD9054的信號為一個DS同步信號，送往89C51的信號為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號（接INT0）和超前觸發(fā)地址串行輸出信號SADR。

    EPM7128S送往61128－15SRAM的信號包括讀信號RD、寫信號WE、數(shù)據(jù)信號DINA0～7和DINB0～7以及地址信號ADR0～16。其中兩片SRAM的地址信號共用。為了節(jié)省EPM7128S的I／O口線，可將61128－15的片選線接地。

    QA信號為外觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換控制信號。

　　在本文所介紹的A／D數(shù)據(jù)采集卡中，負(fù)延遲觸發(fā)存貯深度為2k字節(jié)。上電復(fù)位后，89C51向EPM7128S發(fā)一個A／D啟動信號時，EPM7128S也會發(fā)一個DS同步脈沖給AD9054，在四個時鐘后，EPM7128S輸出WE信號有效，同時將AD9054輸出的雙8位數(shù)據(jù)信號以60MHz的頻率經(jīng)鎖存處理后送往SRAM，每鎖存AD9054數(shù)據(jù)一次（2字節(jié)）將地址ADR0～13加1。當(dāng)?shù)刂窞?FF時（即1k），清地址計數(shù)器以使其為零。此后，地址計數(shù)器仍以60MHz的頻率加1計數(shù)，而鎖存器仍以60MHz的頻率鎖存雙8位數(shù)據(jù)并寫入SRAM。當(dāng)?shù)刂窞?FF時再一次清零，在外觸發(fā)信號QA到來之前，CPLD就這樣控制著整個電路以使其在2k字節(jié)存貯深度內(nèi)作超前循環(huán)采集。當(dāng)某一時刻的QA信號到來時，CPLD首先將此時的地址信號的前10位ADR0～9鎖存，隨后將地址計數(shù)器置為400H，而后地址計數(shù)器仍以60MHz的頻率加1計數(shù)，而鎖存器也以60MHz的頻率鎖存雙8位數(shù)據(jù)并寫入SRAM。當(dāng)?shù)刂酚嫈?shù)器為1FFFFH（即128k）時，地址計數(shù)器停止計數(shù)，鎖存器停止鎖存數(shù)據(jù)并對外輸出高阻態(tài)，CPLD向89C51送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號ADEND，并置WE信號無效。

　　當(dāng)89C51收到ADEND中斷信號后，就可以讀取SRAM中的A／D數(shù)據(jù)以及CPLD中的超前地址ADR0～9。首先89C51將送出一個RRD信號給EPM7128S，EPM7128S收到RRD信號后立即置RD信號有效，同時將地址計數(shù)器清零。此時，兩片SRAM均輸出地址為0的單元的數(shù)據(jù)，同時由CPLD的SADR線輸出負(fù)延遲觸發(fā)地址ADR0～9中的ADR0位。89C51則可通過P0和P2口由DINA和DINB分別讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，并通過P1口由SADR讀地址ADR0位。此后89C51便向EPM7128S發(fā)出一個地址加一脈沖ACLK，EPM7128S在收到這個ACLK脈沖后使ADR0～13加1，同時CPLD由SADR線輸出負(fù)延遲觸發(fā)地址ADR0～9中的ADR1位。這樣，89C51便可通過不斷地發(fā)ACLK脈沖來使P0、P2口的DINA和DINB分別讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，并通過P1口來由SADR讀負(fù)延遲觸發(fā)地址ADR0～9。

　　3  CPLD部分的設(shè)計

　　由于EPM7128SQC100的內(nèi)部邏輯電路是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，因此，了解EPM7128SQC100的內(nèi)圖2基于CPLD的高速A／D采集卡統(tǒng)框圖基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的120MHz高速A／D采集卡的設(shè)計部結(jié)構(gòu)十分重要。圖3是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖．
　　
    圖3中有三個574鎖存器，其作用是將AD9054輸出的在時序上未對齊的DA、DB兩組數(shù)據(jù)變?yōu)闀r序上對齊的兩組數(shù)據(jù)DINA、DINB，圖4是其對齊操作時序圖。

    將120MHz信號二分頻后所得到的60MHz信號可作為整個邏輯電路的工作頻率。工作時，同步控制電路首先將外輸入信號與內(nèi)部60MHz信號同步，然后送往各單元電路。地址計數(shù)器的工作情況有兩種：一是進(jìn)行A／D采集時以60MHz頻率計數(shù)，二是89C51讀數(shù)時以ACLK脈沖頻率計數(shù)。RD、WE發(fā)生電路的作用是當(dāng)89C51發(fā)SAD信號時，電路輸出WE信號有效，RD信號無效；而當(dāng)89C51發(fā)RRD信號時，電路輸出RD信號有效，WE信號無效。DS信號發(fā)生電路的作用是在收到89C51的SAD信號時發(fā)送一個DS正脈沖。

    10位移位寄存器的作用是當(dāng)外觸發(fā)信號QA到達(dá)時將地址計數(shù)器中的ADR0～9鎖存，當(dāng)收到RRD信號后，系統(tǒng)每接收一個ACLK脈沖便將寄存器移位輸出一次，順序是低位在前。

　　4  單片機(jī)的軟件設(shè)計

    單片機(jī)的軟件設(shè)計主要是負(fù)責(zé)把各種控制信號和數(shù)據(jù)送給CPLD，并把采集到的數(shù)據(jù)通過接口送到上位機(jī)或其它設(shè)備。本卡中的接口有串口和并口兩種類型。對CPLD的操作的軟件流程框圖如圖5所示。

　　由于采用了負(fù)延遲觸發(fā)，所以由SRAM所讀取的256k字節(jié)并不是按時間的先后順序存放的，因此必須進(jìn)行重新排序整理。

    5  注意事項

　　在利用本文的設(shè)計方法進(jìn)行120MHz A／D設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

    （1）應(yīng)選用高速器件。

　?。?）電路中的器件布局要合理，高頻信號線應(yīng)盡量的短。

　?。?）進(jìn)行時序分析時應(yīng)充分考慮器件延時，必要時應(yīng)考慮長線傳輸延時，這也是高頻信號線應(yīng)盡量短些的原因之一。

　?。?）盡量采用同步設(shè)計。也就是說整個電路要盡最大可能按某一高頻時鐘同步工作。本電路的同步時鐘為60MHz。

　?。?）電路內(nèi)部要盡量濾去毛刺。特別是觸發(fā)器、計數(shù)器的時鐘信號、清零信號和置位信號，更應(yīng)如此。

    參考文獻(xiàn) 

　　1．齊懷印，盧錦．高級邏輯器件與設(shè)計．北京：電子工業(yè)出版社，1996 

　　2．閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社．1996 

　　3．陳龍三．8051單片機(jī)C語言控制與應(yīng)用．北京： 清華大學(xué)出版社，1999