基于EPF10K20RC208-3的多路数据采集系统的设计.pdf

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1、文章编号：1 0 0 2 8 6 9 2(2 0 0 6)S 0 一0 0 4 1-0 2。魉竺堕堕垒绝堕：苎醴幽堕竺竺固冒基于E P F l0 K 2 0 R C 2 0 8 3 的多路数据采集系统的设计论文刘睿强，景新幸(桂林电子工业学院通信与信息工程系，广西桂林5 4 1 0 0 4)【摘要】介绍了用F P G A 实现对高速A D C 芯片的控制电路，实现多通道的数据采集，采集的数据存于双口R A M 中，以备后端实现数据的进一步处理。【关键词】数据采集；精度；速度；现场可编程门阵列；双口随机存取存储器【中图分类号】r I N 9 1 9 6【文献标识码】A1引言目前，新一代的F P

2、G A 器件，不仅能在速度上满足高速数字信号处理的要求，而且可编程资源也大大增加，具有在线可编程功能，从而提高了系统的灵活性和适应性。因此，在开发周期较短或对系统灵活性要求较高的场所，F P G A 能够提供比专用高速数字信号处理器件更高的系统速度，更好的解决方案和更低的成本。2 数据采集原理2 1 采集过程所谓采样就是把模拟量经时间上离散化、幅度上量化转换为数字信号。其过程一般要经历采样、量化和编码。通常对数据的采集过程如图1 所示。图1数据采集原理框图数据分析的目的是为了对信号进行分类。根据数据是否可以预测可分为两种类型：确定信号和随机性数据。而确定性数据可以分为周期性数据和非周期性数据；

3、随机数据可以分为平稳数据和非平稳数据。确定好数据的类型，便可以选择合适的采样方式(采样方式有：均匀采样、变步长采样、时序变换采样和随机采样)。数字预处理包括数据分路、数据编辑、数据形式的转换、去除电平漂移、去除奇异项、提取趋势项和数字平滑滤波等。模拟信号先经过一个预采样滤波器进行处理，主要是满足采样定理而滤除高频干扰，然后采样器按照预定的采样方式对模拟信号离散化，产生离散电脉冲后由A D C 对信号量化和编码，从而转化为数字信号。2 2 采样定理设连续信号的时间函数为x(f)，其具有的高频分量为厶，则此时间信号函数在时间域内完全由一系列时间等于或小于l 2 厶的采样值确定。为恢复信号，可以通过

4、低通滤波，其原理如图2 所示。图2 采样定理框图+图中，x()-x(n r)6(t 一凡丁)。，卜一在该系统中信号有8 路，设各路信号的最高频率依次为厶，以。其中8 路信号中频率最高的设为厶，设系统的采样频率为工，则要求8 狐，在实际应用中8 1 Q 厶。3系统设计方案及各模块主要功能传统的数据采集大多数采用一点转换一点，读取并存取一点的方案。本设计采用F P G A 器件对A D C 芯片检测与控制，同时将所采集所转换的数据进行显示，存储，以备对采集图3系统框图到的数据作进一步的处理哪。系统框图如图3 所示。3 1F P G A 模块F P G A 采用A T E R A 公司的E P F

5、l 0 K 2 0 R C 2 0 8 3，它是系统的控制核心，主要由5 个控制模块电路构成：加转换时序控制模块、双口R A M 存储控制模块、码制变换模块、动态扫描显示控制模块和键盘控制模块。3 2 信号调整电路在信号进行数模转换之前，要将所测量的数据调整瓦瓦磊面而丽塑鲤燮4 1 万方数据霉鬯里曼鱼重星一；到适当的范围，以适合A D C 转换输入的要求，满足A D C的量程范围。如果信号太微弱；要将其放大，大信号则要进行衰减，以免信号幅度过大引起信号失真或对原器件损害；如果信号带有噪声则先进行滤波。3 3A D C 模块A D C 采用A D C 0 8 0 9，它是C M O S 的8 位

6、A D C，片内有8 路模拟开关，可控制8 个模拟量中的一个进入转换中。A D C 0 8 0 9 的分辨率为8 位，转换时间约为1 0 0。3 4 双口R A M 田采用I D r l 7 1 3 2，其地址总线和数据总线分开，8 位数据总线，1 1 位地址总线，通过控制逻辑可以实现对其进行写数据或读数据。3 5L E D 显示该模块可以采用静态显示和动态显示。静态显示方式把共阴(共阳)极接地(+5V)，把段选线均连接到所有数据锁存器的输出端；动态显示把所有的L E D 的段选线均连到一个8 位的锁存器上，位选线分别控制，轮流选通对应的位选线，并把对应的数据送入锁存器，故使用了比较少的I，O

7、 端口。本设计采用动态扫描方式。3 6 输入电路采用独立式键盘A D C 0 8 0 9 可以采集到8 路的数据，而L E D 在某一时刻只能显示一路数据，显示哪一路数据可以由键盘来控制，可通过检测边沿按键来控制，然后通过设置标志的方法来实现控制所要显示的通道数据。4F P G A 各模块功能的具体实现4 1A D C 的控制A D C 的控制模块(A D C C O N T)功能就是产生A D C0 8 0 9 的工作时序，控制A D C 0 8 0 9 完成A D C，读入A D C的转换结果以便后继处理。A D C 0 8 0 9 的时序图如图4 所示。其中e o c 为状态转换条件。s

8、 票二占二二二二二“厂一一厂 一一一d 7 骂二二二重震二二二磐二1 0 c k JL 一图4A D C 0 8 0 9 的时序转换图由时序图可以得到状态转移图，如图5 所示。图5 状态转换图4 2皇塑墼煎厂聂涵磊丽而函泛五而图5 中：s 1 巾：a l e 0；e n a d d r 伪s 0；g t a r t O；a d o e 0；1 0 c k O；S n：a l e l；e n a d d r e 船1；s t a r t O；a d O；1 0 c k O；S r l 2：a l e 0；e r 蛐d d I e s s O；s t a r t 1；a d o e 0；1 0 c

9、 k O；S T 3：a l e 0；e r I a d d I e s s 0；s t a r t 1；a d o e O；1 0 c k 0；S 7 I 4：a l e O；蜘a d d r e 驰0；8 t a r t 0；a d o e 1；1 0 c k 0；s T 5：a l e O：e n a d d r 髑s O；s t a r t 0；a d o e 1；1 0 c k 0；S T 6：a l e 0；e 聃d d r e 晒0；s k u t 0；a d o e 1；l o c k 1；应用V e r i l o gH D L 语言完成有限状态机的设计，其仿真波形图如图6

10、所示，它实现了A D C 的控制。图6 仿真波形4 2 存储单元的控制存储器主要通过控制读写实现存储单元的控制，存储的地址可以由地址扫描的方式依次存储所采集的数据，其中地址扫描进程如下：a l w a y s (c e0 rr、v)i f(c e&r，w)i f(a d d m s s”g 1 1 h 9 f f)a d d I _ e s 8 r e g=a d d r e s s-r e g+l；e l s ea d d r e s s 瑚g=1 l h 0；a s s i g na d d r e s s=a d d r e s s r e g；4 3B C D 码转换处理模块可以将8

11、位的数据通过查表变为1 2 位的B C D 码，这样做会占用较大的门单元，所以用以下的算法来优化：在读到A D C 0 8 0 9 的D【7：o】转换数据后，先用查表指令算出高、低4 位的两个电压值，并分别用1 2 位的压缩B C D码表示；接着设计一个1 2 位的压缩B C D 码加法器，将得到的两个1 2 位的压缩B C D 码相加即可翻。下面给出模板封装和端口模型：m o d u l eB C D o n v e r(q，d)；0 u p u t【l l：o】q；i 叩u t【7：O】d；r e g【1 l：0】q 1，q 2；e n d m o d u l e4 4U 胁动态显示电路设

12、计L E D 动态扫描显示电路的功能是将码制变换电路输出的B C D 码译码后在3b i tL E D 上依次显示出来，各显示器分时轮流工作。虽然每次只有一个L E D 显示，但由于人的视觉暂留现象，只要扫描频率足够高，就感觉不(下转第6 0 页)万方数据升级码流循环一周的时间越短，这个时间可认为就是机顶盒获取全部升级包的时间。3)机顶盒C P U 处理能力：R s A 签名校验对机顶盒的精简指令集C P U 计算能力是一个考验，以本系统所用的主芯片S m a n M P E GH 2 0 A 为例，主频为1 3 0 5M H z，计算4M B 数据的R s A 签名需要6s 左右，只占升级时

13、间很小的比例。4)F l a s h 闪存访问速度：这在升级中也占有比较大的比例。将4M B 的升级数据写入F l a s h 需要2m i n 左右。以上的4 个因素基本决定了本文设计的升级方案的性能。通过对比其它较成熟的升级方案，本文升级方案的优势有：紧凑、速度快、稳定性好及安全性高，处于比较领先的地位。4小结供的机顶盒中已有2 0 家左右的合作机顶盒厂商采用本文的升级方案，且正在稳定运行。目前市场上各种升级方案较多，为运营商选型及日常维护带来一定的困扰。本文的目的是希望通过笔者的工作，给大家提供一定的思路，为早日形成标准统一的有线机顶盒升级协议出力。参考文献【1】E T S IE N3

14、0 0 4 6 8V 1 4 1D i 画t a lV i d e oB r o a d c a s t i n g(D V B)，S p e c i-f i c a t i Q n 叶S e n r i c eI n f o m a t i o n(S I)i nD V Bs y s t e m【S】2 0 0 0【2】E 7 r S IT R1 0 1 2 l1V 1 4 1D i 西t a lV i d e oB r o a d c 黯t i n g(D V B)，G u i d e l i n e so ni m p l e m e n 雠i 吼锄du s a g ei fS e r

15、v i c eI n f o I m a t i o n(S I)S】2 0 0 0【3】I S 伽E C1 3 8 1 8 1I n f o n a t i o nt e c h l l o l o g)r G e n e r i cc o d i n g0 fm o v i n gp i c t I l r e s d s o c i a t e d d i oi n f b n 腿t i S y 8 t e I I l S】【4】宋靖涛，王匡，张明D V B 系统软件升级规范叨中国有线电视，2 0 0 5(7)：6 2 7 6 3 0 经过近两年不断的摸索和完善，目前在给运营商提责任编辑

16、：张家豪收稿日期：2 2(上接第4 2 页)里垦望【!：Q l l 数据l 选择计数器1 O七段l!出：Q译码l译码器1 0 0 b“l O b i t lb i t图7动态扫描显示电路结构框图到闪烁，如同3 个L E D 同时显示。动态扫描显示电路结构如图7 所示。其中计数器与译码器和数据选择器进程源码如下。计数器进程：a l w a y s (p o s e d g ec l k)i f(c 叫n t=2 b 1 0)c o u n t -o；e l 驼c o 叫t -c o u n t+1；译码器和数据选择器进程：a l w a y s (c o u m)c a s e(c o u n

17、t)2 b o o：b e 西ns e l r e g=3 b 1 1 0；d i s p-d a t=b c d【3：O】；e n d2 b 0 1：b e 舀ns e l-r e g=3，b 1 0 1；d i s p _ d a t=b c d【7：4】；e n d2，b 1 0：b e 画ns e l r e g=3 b o“；d i 叩-d a t=b c d【1 1：8】；e n d，d e f a u l t：b e g i ns e l 驿g=3 b 111；b e g i nd i s p _ d a t=O；e n de n d c a s e4 5 键盘控制模块该模块实现

18、对独立式键盘上的8 个按键进行监控，通过检测边沿按键信号(k e y l 一k e y 8)，即一旦有键输入，就将显示数据通道的标志信号(n a g【7：0 )对应位置高电平“1”，否则就置“0”。下面给出模块的封装和端口的定义：m o d u l ek e y-c o n t r 0 U e r(n a g，k e y l，k e y 2，k e y 3，k e y 4，k e y 5，k e y 6，k e y 7，k e y 8，c l k)；6 0堕塑墼堂厂赢面磊丽丽蟊函鬲o u t I m t【7：o Jl l a g；i n p u tk e y l，k e y 2，k e y 3

19、，k e y 4，k e y 5，k e y 6，k e y 7，k e y 8；i n p u tc l k；e n d m o d u l e4结论本文实现了用F P G A 采集8 路数据，并由键盘控制所要显示的那一路数据。系统的工作速度可以通过提高时钟频率和速度高的芯片来实现；系统的精度可以通过选择数据总线的宽度来提高；双口R A M 可以实现数据高速缓冲，实现与P C 或单片机的高速数据交换；F P G A可以通过编程实现测频，与A D C 并行工作，还可以实现U A R T 并使之与主机之间采用异步串行传送数据，实现分布式数据采集系统。总之本设计具有良好的可扩展性，具有一定的通用性

20、和实用性。参考文献【1】周立功，夏宇闻单片机与C P L D 综合应用技术【M】北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 3【2】窦振中单片机外围器件使用手册一存储器分册【M】北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 1 4【3】祁笠，李启炎，翁良科基于C P L D 和兀F o 的多通道高速数据采集系统的研究田电子工程师，2 0 0 3(2)：4 4-4 7 作者简介：刘睿强(1 9 7 2 一)硕士生主要从事专用集成电路设计与应用等方面的研究。责任编辑：刘伯义收稿日期：加晰_ 0 枷9 万方数据基于EPF10K20RC208-3的多路数据采集系统的设计基于EPF10K20RC208-3的多路数据采集系统的设计作者：刘睿强，景新幸作者单位：桂林电子工业学院,通信与信息工程系,广西,桂林,541004刊名：电视技术英文刊名：VIDEO ENGINEERING年，卷(期)：2006(z1)参考文献(3条)参考文献(3条)1.祁笠;李启炎;翁良科 基于CPLD和FIFO的多通道高速数据采集系统的研究期刊论文-电子工程师 2003(02)2.窦振中 单片机外围器件使用手册-存储器分册 20043.周立功;夏宇闻 单片机与CPLD综合应用技术 2003 本文链接：http:/