基于FPGA的ADS8686S采樣控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉建梁, 季 偉

（1.天津訊聯(lián)科技有限公司，天津 300308；2.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300458）

0 引言

遙測是監(jiān)視航天器工作狀態(tài)的重要途徑，遙測系統(tǒng)的作用是獲取遙測數(shù)據(jù)。遙測數(shù)據(jù)以工程遙測參數(shù)為主，主要有航天器內(nèi)部各部分溫度、電壓、電流、振動、沖擊以及噪聲等［1］。本項(xiàng)目彈載遙測系統(tǒng)要求采集溫度、壓力等10路緩變信號（采樣率40 Hz，-5 V～+5 V），3路振動信號（采樣率5.12 KHz，-5 V～+5 V）和3 路沖擊信號（采樣率20.48 KHz，-5 V～+5 V）。采樣芯片選用TI公司的16通道、16位分辨率、1 MSPS的A/D 轉(zhuǎn)換器ADS8686S，F(xiàn)PGA 芯片選用Xilinx Zynq7000系列的XC7Z035。

1 ADS8686S簡介

ADS8686S 是TI公司推出的一款基于雙路同步采樣的16 通道、16 位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中包含輸入鉗位、1 MΩ 輸入阻抗、獨(dú)立的可編程增益放大器、可編程二階低通濾波器和ADC輸入驅(qū)動器。在數(shù)字接口方面，支持SPI串行接口，16 位或者8 位的并行接口，可靈活適配各種主機(jī)控制器。在采樣速率上，最大支持1 MSPS 的采樣率，可以滿足大部分的采樣速率要求。ADS8686支持硬件和軟件兩種控制模式。設(shè)備在完全復(fù)位狀態(tài)下，根據(jù)HW_RNGSELHW_RNGSEL 管腳的狀態(tài)，選擇啟用的控制模式。在硬件模式下，所有器件的配置都由管腳控制和訪問，禁止使用內(nèi)部寄存器。在軟件模式下，管腳只負(fù)責(zé)接口和參考配置，其他配置都通過寄存器完成。采用SPI 串行通信具有占用管較少、連接簡單等優(yōu)點(diǎn)，但傳輸速度受限于串行時鐘SCLK；而采用并口通信時，采樣數(shù)據(jù)同時出現(xiàn)在并口總線，一個時鐘即可讀取，速度上有明顯優(yōu)勢，而缺點(diǎn)是占用管腳多、連接復(fù)雜［2］。為簡化軟件設(shè)計(jì)工作，本設(shè)計(jì)數(shù)字接口采用16 位并行接口，又因在設(shè)計(jì)中要使用片上自診斷功能，因此選用軟件控制模式。

2 并行接口控制時序

ADS8686S 的轉(zhuǎn)換原理在文獻(xiàn)［1］中已有介紹，不再贅述，這里重點(diǎn)介紹其并行接口工作時序。設(shè)計(jì)中將ADS8686S的接口分為寫配置寄存器和模數(shù)轉(zhuǎn)換控制兩個部分進(jìn)行分析。

2.1 寫配置寄存器

對于ADS8686S，在啟動采樣轉(zhuǎn)換前，要先對寄存器進(jìn)行配置以實(shí)現(xiàn)特定的功能，例如配置輸入電壓的范圍。ADS8686S 通過片選管腳CS、寫管腳WR 和數(shù)據(jù)管腳DB15～DB0 來實(shí)現(xiàn)寫寄存器操作，圖1是并行寫寄存器時序圖?？刂破魇紫壤虲S 管腳，此時芯片的數(shù)據(jù)管腳輸出高阻態(tài)。延遲tSU_CSWR時間后控制器拉低WR 管腳，芯片把數(shù)據(jù)管腳作為數(shù)字輸入管腳。然后控制器把數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)管腳，等待tSU_DINWR時間后拉高WR 管腳，在WR 上升沿?cái)?shù)據(jù)被成功鎖存到對應(yīng)的寄存器中。

圖1 并行寫寄存器時序

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換控制

ADS8686S 通過CONVST 來控制模數(shù)轉(zhuǎn)換。首先向寄存器寫入要采集的A/B 通道序號；等待tDZ_CONFIG后控制器拉高CONVST 管腳，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，隨即BUSY 信號變高，表示正在轉(zhuǎn)換；BUSY 由高變低后，表示采樣完成，最小的采樣時間tACQ為480 ns。檢測到BUSY 下降沿后，控制器讀取采樣數(shù)據(jù)。圖2為軟件并行模式下采樣控制時序圖。

圖2 軟件并行模式下采樣轉(zhuǎn)換控制時序

3 采樣控制器軟件設(shè)計(jì)

采樣控制器主要由主控模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、采樣率控制模塊和數(shù)字接口模塊組成。采樣控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。主控模塊是控制器的控制核心，負(fù)責(zé)控制ADS8686S的有序采樣工作；狀態(tài)監(jiān)測模塊用于實(shí)時監(jiān)測ADS8686S的工作狀態(tài)；采樣率控制模塊負(fù)責(zé)提供一定頻率的脈沖使能信號，用于控制采樣率；數(shù)字接口模塊負(fù)責(zé)FPGA和ADS8686S的數(shù)字接口通信。

圖3 采樣控制器結(jié)構(gòu)框圖

3.1 主控模塊

在數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有限狀態(tài)機(jī)是一種十分重要的時序邏輯電路模塊，一般用來描述數(shù)字系統(tǒng)的控制單元，是許多數(shù)字系統(tǒng)的核心部件［3］，因此本控制器的核心控制邏輯基于Verilog HDL 有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。本狀態(tài)機(jī)共設(shè)計(jì)了47 個狀態(tài)，限于篇幅，這里把47 個狀態(tài)簡化成8 個偽狀態(tài)進(jìn)行描述，圖4 是簡化后的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖。ADC_INIT 狀態(tài)完成ADS8686S 上電的初始化工作，包括上電復(fù)位和芯片完全復(fù)位兩個過程。在ADC_CONFIG 狀態(tài)，分別向RANGE_A1、RANGE_A2、RANGE_B1、RANGE_B2 寄存器寫入0xAA，把16個通道的采集電壓范圍設(shè)置成-5 V～+5 V，其他寄存器使用默認(rèn)值；在START 狀態(tài)，表示準(zhǔn)備就緒，等待采樣控制模塊產(chǎn)生的sample_pulse 信號，隨機(jī)展開本次采集工作；在CH_SEL 狀態(tài)，向CHANNEL_SEL 寄存器寫入待采集的A/B 通道地址；在CONVST 狀態(tài)，拉高CONVST 管腳，啟動轉(zhuǎn)化，此時BUSY管腳變高；在WAIT 狀態(tài)，等待BUSY 管腳由高變低，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；在READ_CHA 狀態(tài)，讀取A 通道的采樣值；在READ_CHB 狀態(tài)，讀取B 通道的采樣值，隨后跳轉(zhuǎn)到START 狀態(tài)，開啟一次新的采集。需要注意的是，ADS8686S 是一款兩路同步采樣的ADC，A通道和B通道各有8 路采樣通道，A 通道中的某一路和B 通道中的某一路是同步采樣的，因此每次轉(zhuǎn)換結(jié)束，要分別讀取A通道和B通道的采樣值。

圖4 簡化后的偽狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖

3.2 狀態(tài)監(jiān)測模塊

ADS8686S 具有片上自診斷功能，也即當(dāng)通道選擇寄存器CHANNEL_SEL 中地址配置成0xBB 時，會得到固定采樣值0xAAAA（A 通道）和0x5555（B 通道）。借助這個功能，可以實(shí)時監(jiān)測ADS8686S的工作狀態(tài)，并把監(jiān)測結(jié)果反饋給狀態(tài)機(jī)模塊，如果出現(xiàn)異常，跳轉(zhuǎn)ADC_INT狀態(tài)，進(jìn)行復(fù)位重啟操作。

3.3 采樣率控制模塊

本模塊用來產(chǎn)生頻率為184.32 KHz 的脈沖使能信號sample_pulse。任務(wù)要求的采樣率有40 Hz、5.12 KHz 和20.48 KHz 共3 種，這里都按照20.48 KHz 進(jìn)行采樣，40 Hz 和5.12 KHz的過采樣信號待后續(xù)抽取得到。由于A/B 通道是同步采樣，每個循環(huán)依次讀取8 個外部通道和1 個內(nèi)部通道（自診斷結(jié)果），因此需要模塊產(chǎn)生20.48 KHz×9=184.32 KHz 的脈沖使能信號sample_pulse。為了便于移植，這里采用DDS 原理［4］產(chǎn)生sample_pulse 信號。系統(tǒng)時鐘頻率110 MHz，NCO 位寬32 位，得到相位增量PINC=2^32×184.32 K/110 M=7197。

3.4 數(shù)字接口模塊

數(shù)字接口DB［15∶0］是雙向接口，F(xiàn)PGA 和ADS8686S 都可以對接口進(jìn)行讀寫操作，因此在數(shù)字接口模塊中例化了16 個三態(tài)門，在狀態(tài)機(jī)控制下，完成數(shù)字接口的讀寫操作。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5是用直流源提供5 V電壓作為待采信號，通過Vivado Hardware工具在線抓取的實(shí)時采樣數(shù)據(jù)。從圖中看到，A_CH0～A_CH7 和B_CH0～BCH7 都是0x7FFF，由于ADS8686S 采樣值采用二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出，因此0x7FFF表示5 V。A通道固定值為0xAAAA，B 通道固定值為0x5555。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采樣結(jié)果正確無誤。

圖5 Vivado Hardware工具在線抓取采樣數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文提出了基于FPGA 的ADS8686S 采樣控制器，實(shí)現(xiàn)了對16 路傳感器信號的采集。測試結(jié)果表明控制器工作穩(wěn)定、性能可靠，對于同類設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。