基于FPGA的高速串行AD轉(zhuǎn)換器控制設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

楊大偉，楊秀芳，李大偉，韓俊鋒, 陳劍虹

(1.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119)

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行效率和集成化程度的要求越來(lái)越高[1]。特別是在靶場(chǎng)光電儀器平臺(tái)多個(gè)伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)采集中，對(duì)多通道A/D轉(zhuǎn)換的效率要求更高，此外，在外場(chǎng)便攜式采集儀器與光電設(shè)備接口中，使用多通道高速A/D轉(zhuǎn)換器還可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)[2]。

許多文獻(xiàn)對(duì)串行多通道A/D轉(zhuǎn)換器AD7890的控制，基本上都是以單片機(jī)或者微處理器為控制核心。使用單片機(jī)作為處理器，雖然編程簡(jiǎn)單且容易控制，但是速度較慢，周期長(zhǎng)，極大地限制了高速A/D的使用[3]，而使用DSP作為處理器，需要專用SPI接口。采用FPGA作為控制核心，其時(shí)鐘頻率可高達(dá)100 MHz以上，與單片機(jī)或微處理器相比，更適合用于數(shù)字控制系統(tǒng)中直接對(duì)高速A/D器件進(jìn)行有效控制[4-6]。

本設(shè)計(jì)以Xilinx公司高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列Virtex-4系列FPGA芯片為核心器件，利用多通道串行A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7890實(shí)現(xiàn)快速、高精度的A/D轉(zhuǎn)換。

1 FPGA控制AD7890原理框圖

圖1 FPGA控制AD7890設(shè)計(jì)原理圖

2 A/D轉(zhuǎn)換控制模塊設(shè)計(jì)

依據(jù)AD7890工作原理，采用FPGA器件XC4VLX25芯片，在ISE 10.1軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換控制模塊的程序設(shè)計(jì)及仿真。

2.1 AD7890的工作原理

AD7890是Analog Device公司推出的一款8通道12位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能如圖2、3所示，由8路模擬輸入(信號(hào)調(diào)理)、多路選擇器、跟蹤/保持放大器、參考電源、輸入控制寄存器和數(shù)據(jù)輸出寄存器等部分組成[8]。

圖2 AD7890內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能圖[8]

圖3 AD7890引腳圖[8]

AD7890有兩種工作模式(外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘)可選，由AD7890的SMODE引腳的高低置位決定，AD7890通過(guò)片內(nèi)的高速雙向串行數(shù)據(jù)接口接收輸入控制字和輸出串行數(shù)據(jù)，器件的8路模擬輸入通道通過(guò)給定輸入控制字選出。串行輸入控制寄存器由5位組成：3位通道選擇地址位A2、A1、A0，1位軟件控制轉(zhuǎn)換狀態(tài)位CONV(低電平有效)、1位休眠狀態(tài)位STBY，如圖4所示。在指定芯片輸入控制命令時(shí)，至少需要6個(gè)SCLK時(shí)鐘脈沖信號(hào)才能完成對(duì)寄存器的寫操作，超過(guò)6個(gè)寫周期時(shí)鐘的輸入字無(wú)效，且5位控制位默認(rèn)輸入為0。被選通道按照公式(通道號(hào)=4×A2+2×A1+A0+1)計(jì)算。

圖4 AD7890輸入控制寄存器

圖5 外部時(shí)鐘模式寫操作時(shí)序[8]

圖6 外部時(shí)鐘模式讀操作時(shí)序[8]

2.2 ISE10.1軟件環(huán)境下的控制程序設(shè)計(jì)及仿真

在Xilinx公司ISE 10.1軟件平臺(tái)下[10]，使用VHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行邏輯描述，A/D控制邏輯包括系統(tǒng)頂層模塊、時(shí)鐘分頻模塊、A/D讀寫控制輸入輸出模塊。使用狀態(tài)機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)通道產(chǎn)生及串行數(shù)據(jù)控制時(shí)序，AD7890控制時(shí)序圖及生成模塊原理圖分別如圖7、8所示。

圖7 AD7890控制時(shí)序圖

圖8 A/D轉(zhuǎn)換控制模塊圖

頂層結(jié)構(gòu)體定義源程序：

entity AD7890_top is

port(clk100mhz : in std_logic; ——系統(tǒng)時(shí)鐘

reset : in std_logic; ——復(fù)位信號(hào)(低有效)

dout : in std_logic; ——串行輸入端口信號(hào)

sclk : out std_logic; ——AD輸入時(shí)鐘

clk_in : out std_logic; ——AD內(nèi)部工作時(shí)鐘

rfs_n : out std_logic; ——接收幀同步信號(hào)(低有效)

tfs_n : out std_logic; ——發(fā)送幀同步信號(hào)(低有效)

din : out std_logic; ——控制命令串行輸出端口信號(hào)

convst : out std_logic; ——轉(zhuǎn)換控制標(biāo)志

/*8通道串行數(shù)據(jù)*/

vin1 : out std_logic_vector(11 downto 0);

…

vin8 : out std_logic_vector(11 downto 0));

end AD7890_top ;

A/D轉(zhuǎn)換接收串行數(shù)據(jù)部分源程序如下：

elsif (sclk’event and sclk=’1’) then

case state is

when state0=> if(count<12) then

tfs_n<=’1’;

count:=count+1;

state<=state0;

else

count:=0;

state<=swrite0;

end if;

/*輸入控制字*/

when swrite0=> tfs_n<=’0’;

din<=address(2);

state<=swrite1;

…

when swrite3=> din<=’0’;

state<=swrite4;

when swrite4=> din<=’0’;

state<=swrite5;

/*串行數(shù)據(jù)輸出：1位起始,3位地址,12位數(shù)據(jù)*/

when sread1=>state<=sread2;——串行輸出起始位

when sread2=> tempaddr(2)<=dout; ——串行輸出地址位和數(shù)據(jù)位

…

when sread16=> tempdata(0)<=dout;

state<=sread;

…

when converse=>

if(count<9) then

count:=count+1;

state<=converse;

else

count:=0;

state<=select;

convst<=’0’;

end if;

/*通道地址選擇輸出*/

when select=> case tempaddr is

when "000"=>

vin1<=tempdata;

…

when "111"=>

vin8<=tempdata;

when others=>NULL;

end case;

if address<"111" then

address<=address+"001";

else

address<="000";

end if;

state<=sover;

…

end case;

3 基于Virtex-4處理器硬件開發(fā)環(huán)境下的程序下載驗(yàn)證

在ISE軟件環(huán)境下進(jìn)行綜合、布局布線后，將程序下載到光電儀器便攜式多功能信號(hào)處理采集系統(tǒng)硬件中(圖9為實(shí)物圖)，使用在線邏輯分析儀ChipScope[11]采集信號(hào)數(shù)據(jù)，得到AD7890控制時(shí)序及功能仿真測(cè)試圖，圖10、圖11是分別在AD7890第6通道輸入5 V模擬量和第7通道輸入3 V模擬量的時(shí)序控制及串行數(shù)據(jù)輸出圖。

圖9 實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

圖10 5V模擬輸入時(shí)序控制及串行數(shù)據(jù)輸出

圖11 3V模擬輸入時(shí)序控制及串行數(shù)據(jù)輸出

由圖10、圖11可以看出，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)了對(duì)AD7890的正確控制，AD7890輸出的二進(jìn)制數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果完全一致。實(shí)驗(yàn)中在第6通道(101)、第7通道(110)分別接入5 V和3 V模擬量，由圖10、圖11的dout得到的AD7890輸出的二進(jìn)制碼分別是101_010000000000和110_001001100111。前面3位是通道碼，后面的12位是轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，010000000000對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)的1024，001001100111對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)的615，用公式(1)將其換算為輸入模擬量。式(1)中LSR、FSR分別表示AD7890允許輸入的最大模擬量(10 V)和最小模擬量(-10 V),以6通道轉(zhuǎn)換成的二進(jìn)制數(shù)010000000000為例，計(jì)算結(jié)果為5 V，這與加入到6通道的模擬量完全一致，對(duì)于7通道情況完全類同。

(1)

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了用FPGA對(duì)AD7890的正確控制，充分發(fā)揮了AD7890高速高精度特點(diǎn)，選用FPGA作為控制器件，使得數(shù)據(jù)采集硬件更加簡(jiǎn)單，控制更加靈活，集成化程度進(jìn)一步提高，這對(duì)光電儀器外場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是重要的。

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