基于ADS8323模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片與CPLD之間的接口電路設(shè)計(jì)

1.引言

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，AD芯片的工作速度通常是很高的，可以達(dá)到幾兆甚至幾十兆，而微控制器MCU的工作速度相對(duì)較低，并且其往往具有多個(gè)任務(wù)，所以不能采用AD轉(zhuǎn)換一次MCU讀取一次數(shù)據(jù)的工作方式。因此，需要在AD芯片與MCU之間加入數(shù)據(jù)緩沖器，以便臨時(shí)存儲(chǔ)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)量到達(dá)一定深度后，再由MCU一并取走。數(shù)據(jù)緩沖器可以有多種選擇，例如RAM、SRAM等等，而FIFO（First In First Out）存儲(chǔ)器憑借其操作簡(jiǎn)單、可靠性好等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，成為了連接MCU與AD芯片的橋梁。

為了使MCU、AD芯片以及高速FIFO存儲(chǔ)器能夠協(xié)調(diào)工作，就需要設(shè)計(jì)好這三者之間的接口電路。本文正是針對(duì)這個(gè)問題，選用CPLD實(shí)現(xiàn)了三者之間的接口電路。

2.芯片介紹

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8323

ADS8323是TI公司近年推出的一款高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其主要特點(diǎn)如下：

（1）高速高精度：16位的AD芯片，其最高采樣速率可達(dá)500kSPS;

（2）低功耗：當(dāng)處于500kSPS的采樣率時(shí)，其功耗也只有85mW;

（3）并行接口設(shè)計(jì)：它可以一次性將16位采樣結(jié)果輸出，也可8位分兩次輸出。

ADS8323需要外接時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘頻率范圍從25kHZ（1.25kSPS）到10MHZ（500kSPS），其內(nèi)部的所有動(dòng)作均與時(shí)鐘信號(hào)同步。工作過程如下：將/CONVST置成低，即可啟動(dòng)轉(zhuǎn)換;在轉(zhuǎn)換過程中，BUSY始終為高;當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果被鎖存在輸出寄存器之后，BUSY變低，此時(shí)便可通過將/RD和/CS信號(hào)置低讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。其時(shí)序如圖1所示。

2.2 高速FIFO——CY7C4231

FIFO芯片是一種具有存儲(chǔ)功能的邏輯芯片，它具有兩個(gè)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)進(jìn)出有序，輸出輸入口獨(dú)立。其內(nèi)部的讀指針和寫指針按照先進(jìn)先出的原則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存入和讀取。

CY7C4231是CYPRESS公司推出了一款高速FIFO芯片。芯片的存儲(chǔ)空間是2K×9 bit，讀寫時(shí)間最小是10ns。其主要的控制管腳功能如表1所示。

3.接口電路的CPLD實(shí)現(xiàn)

通過上面的介紹，可以大致歸納出接口電路需要實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

（1）將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存入FIFO，包括AD芯片的轉(zhuǎn)換過程控制和FIFO的寫入過程控制;

（2）MCU讀取FIFO中數(shù)據(jù)，包括FIFO的狀態(tài)查詢或著中斷請(qǐng)求、FIFO的讀出過程控制。

CPLD由于其速度快、體積小、功耗低、編程靈活、可反復(fù)修改邏輯等特點(diǎn)，受到了越來越多的關(guān)注。而利用EDA工具進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合和驗(yàn)證，加速了設(shè)計(jì)過程，降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了開發(fā)周期，提高了效率。本文采用了Altera公司的QuartusII作為設(shè)計(jì)工具，以EPM7128系列的CPLD芯片實(shí)現(xiàn)了上述的接口電路。其總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

其中，地址譯碼模塊負(fù)責(zé)對(duì)MCU的地址總線進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生地址選通信號(hào);控制信號(hào)模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生一些總的控制信號(hào)，如系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)CtrlBegin、整個(gè)電路的復(fù)位信號(hào)reset等等;FIFO狀態(tài)查詢模塊負(fù)責(zé)向MCU提供當(dāng)前FIFO的狀態(tài)特征，以便查詢，如半滿、半空、全滿、全空等狀態(tài);中斷申請(qǐng)模塊可根據(jù)FIFO的狀態(tài)自動(dòng)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換控制與FIFO寫控制模塊、FIFO讀控制模塊是整個(gè)接口電路的核心單元，下面分別加以介紹。

3.1 AD轉(zhuǎn)換控制與FIFO寫控制模塊

根據(jù)ADS8323與FIFO的使用說明，該模塊的工作過程如下：在系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)CtrlBegin有效之后，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換信號(hào)（/CONVST置低）;在轉(zhuǎn)換過程中，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（由CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的一個(gè)16Bit的存儲(chǔ)器）中的前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入FIFO中，具體來說，首先使低8位數(shù)據(jù)使能信號(hào)LowOE置高，低8位數(shù)據(jù)被放到數(shù)據(jù)總線上，然后產(chǎn)生低8位FIFO的寫時(shí)鐘信號(hào)FIFO1_WCLK，這樣轉(zhuǎn)換結(jié)果的低8位就被存入低8位FIFO中，按同樣的過程再把轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位存入高8位FIFO中;在轉(zhuǎn)換結(jié)束后（BUSY為低），將AD的讀使能信號(hào)/RD置低，于是本次AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果被寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū);完成一次操作之后，再啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換信號(hào)，開始下一次轉(zhuǎn)換過程，周而復(fù)始，直到系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)CtrlBegin無(wú)效。

該模塊可由狀態(tài)機(jī)加以實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中，我們采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫，其仿真波形如圖3所示。

3.2 FIFO讀控制模塊

當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達(dá)到一定深度之后，MCU就需要通過該模塊向FIFO讀取數(shù)據(jù)。該模塊主要產(chǎn)生四個(gè)信號(hào)，即低8位FIFO的RCLK和OE（定義為RCLK1和OE1）、高8位FIFO的RCLK和OE（定義為RCLK2和OE2）。以往的設(shè)計(jì)方案是采用兩個(gè)獨(dú)立的讀地址分別作為RCLK和OE，這種方式雖然操作簡(jiǎn)單，但需要兩個(gè)讀周期才能完成一次讀操作，這樣大大降低了工作效率。本文采用一個(gè)讀地址作為OE信號(hào)，再利用對(duì)OE的延時(shí)信號(hào)作為RCLK信號(hào)，這樣只要RCLK信號(hào)的產(chǎn)生介于兩次OE之間，就能實(shí)現(xiàn)用一個(gè)讀周期完成一次讀操作，這樣便大大提高了MCU的工作效率。延時(shí)模塊由Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，其代碼如下：

仿真波形如圖4所示。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文采用CPLD實(shí)現(xiàn)了AD芯片、高速FIFO存儲(chǔ)器以及MCU之間的接口電路。實(shí)驗(yàn)表明，該電路工作穩(wěn)定可靠，且通用性強(qiáng)，易于移植到其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。同時(shí)，QuartusII等嵌入式技術(shù)的使用，簡(jiǎn)化了開發(fā)流程，提高了設(shè)計(jì)效率。目前，該電路已成功應(yīng)用于某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
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