基于AD7892SQ和CPLD的数据采集系统的设计[图]

引 言

   本系统以AD7892SQ和CPLD(复杂可编程逻辑器件)为核心设计了一个多路信号采集电路，包括模拟多路复用、集成放大、A/D转换，CPLD控制等。采用硬件描述语言Verilog HDL编程，通过采用CPLD使数据采集的实时性得到提高。
   1 硬件设计
   针对多路信号的采集，本系统采用4/8通道ADG508A模拟多路复用器对检测的信号进行选择，CMOS高速放大器LF156对选中的信号进行放大，AD7892SQ实现信号的A/D转换，CPLD完成控制功能。电路如图1所示。
   
   AD7892SQ是美国AD公司生产的LC2MOS型单电源12位A/D转换器，可并行或串行输出。
   AD7892SQ A/D转换器具有如下特点：单电源工作(+5V或+10V)；内部含有采样保持放大器；具有高速的串行和并行接口。
   AD7892SQ控制字的功能如下：
   a)MODE：输入控制字，低电平时为串行输出，高电平时为并行输出，本系统为并行输出；
   b)STANDBY：输入控制字，低电平时为睡眠状态(功耗5mW)，高电平时正常工作，一般应用时接高电平；
   c)CONVST：启动转换输入端，当此脚由低变高时，使采样保持器保持开始转换，应加一个大于25ns的负脉冲来启动转换；
   d)EOC：转换结束信号，转换结束时，此脚输出100ns的低电平脉冲；
   e)CS：片选，低电平有效；
   f)RD：低电平有效，与CS配合读，使数据输出。
   MODE脚接高电平时，AD7892SQ为并行输出，时序如图2所示。
   
   在EOC下降沿时间内开始采样，就是转换一结束就开始下次采样，采样时间fACQ应大于等于200ns或400ns，转换结束后(即E0C的下降沿)，当CS和RD有效时，经过t6=40ns的时间，就可以在DB0-DB11上获得转换之后的12位数据，CS和一般的片选信号相同，可以一直有效，外加RD的时间T5也应大于35ns。CONVST信号t1应大于35ns，在上升沿时采样保持器处于保持状态，开始A/D转换，转换所需的时间tCONV为1.47μs或1.6μs，转换结束后，EOC脚输出的t2为大于等于60ns的负脉冲用来进行中断或数据锁存。由此得出下次采样和本次的输出可以同时进行，因此最小的一次采样转换输出的时间为1.47+0.2=1.67μs(600kSPS(千次采样每秒))，最大1.6+0.4=2μs(即500kSPS)，图2中的t9大于等于200ns，t7近似为5ns，t3、t4、t8可为0，(此时t9=tACQ)。
   2 程序设计
   2.1 系统介绍
   系统中的CPLD是结构比较复杂的可编程逻辑器件，硬件描述语言设计的控制程序写入CPLD内即可实现其功能。系统采集的数据常常放在数据缓存器中，数据缓存区要求既要有与A/D转换芯片的接口，又要有与系统DSP的接口，以提高数据吞吐率，本系统选用FIF0(先进先出)，并且FIF0具有不需要地址寻址的优点。
   2.2 系统的软件描述
   本系统采用Verilog HDL语言进行描述。VerilogHDL被近90%的半导体公司使用，成为一种强大的设计工具。其优点是：
   a)Verilog HDL是一种通用的硬件描述语言，易学易用；
   b)Verilog HDL允许在同一个电路模型内进行不同抽象层次的描述，设计者可以从开关、门、RTL或者行为等各个层次对电路模型进行定义；
   c)绝大多数流行的综合工具都支持VerilogHDL，这是Verilog HDL成为设计者的首选语言的重要原因之一；
   d)所有的制造厂商都提供用于Verilog HDL综合之后的逻辑仿真的元件库，因此使用Verilog HDL进行设计，即可在更广泛的范围内选择委托制造的厂商；
   e)PLI(编程语言接口)是Verilog HDL语言最重要的特性之一，它使得设计者可以通过自己编写C代码来访问Verilog HDL内部的数据结构。
   2.3 AD7892SQ描述
   描述AD7892SQ模块，可以把模块用于采集系统的仿真，以验证FSM(有限状态机)设计的正确性。该模块主要有4个输入信号和1个输出信号，与芯片的控制信号一致。程序如下：
   
   AD7892SQ仿真波形见图3。
   
   2.4 FSM描述
   
   FSM为异步工作。当convst有效时停留在convst_ad状态，且rd和cs都为1，convst为0且处于clock的上升沿时FSM会处于4个状态中的一个状态。图4为FSM仿真波形。
   
   2.5 FIFO描述
   
   FIFO为同步工作。当reset有效且处于clock的上升沿时，dout为O；reset为1且处于clock上升沿时，read和write组合的4种情况分别对应各自的工作状态。图5为FIFO仿真波形。
   
   3 结束语
   Verilog HDL硬件描述语言已越来越广泛地应用于EDA(电子设计自动化)领域，多数EDA设计工程师都用它进行ASIC(专用集成电路)设计和CPLD/FPCA开发。用高级语言进行电路设计，能够灵活地修改参数，而且极大地提高了电路设计的通用性和可移植性。最后需要指出的是，采用IP核的方法设计电路，不但可以单独使用，而且可以嵌入到ASIC或CPLD/FPGA的电路设计中，同时缩短了产品的开发周期，应大力推广。
   作者：秦晓芳 朱坚民 郭冰菁   来源：电子工程师