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基于Verilog HDL設計的自動數據采集系統
摘要：介紹了一種采用硬件控制的自動數據采集系統的設計方法，包括數字系統自頂向下的設計思路、Verilog HDL對系統硬件的描述和狀態機的設計以及MAX PLUSII開發軟件的仿真。設計結果表明：該采集系統具有很高的實用價值，極大地提高了系統的信號處理能力。隨著數字時代的到來，數字技術的應用已經滲透到了人類生活的各個方面。數字系統的發展在很大程度上得益于器件和集成技術的發展，著名的摩爾定律（Moore's Law）的預言也在集成電路的發展過程中被印證了，數字系統的設計理念和設計方法在這過程中發生了深刻的變化。從電子CAD、電子CAE到電子設計自動化（EDA），隨著設計復雜程度的不斷增加，設計的自動化程度越來越高。目前，EDA技術作為電子設計的通用平臺，逐漸向支持系統級的設計發展；數字系統的設計也從圖形設計方案向硬件描述語言設計方案發展。可編程器件在數字系統設計領域得到廣泛應用，不僅縮短了系統開發周期，而且利用器件的現場可編程特性，可根據應用的要求對器件進行動態配置或編程，簡單易行地完成功能的添加和修改。
在現代工業的發展中，實時測控系統得到廣泛應用，這就對高速數字信號處理系統提出了更高的要求。因為要涉及大量的設計，為了提高運算速度，應用了大量DSP器件。數字采集系統是整個系統的核心部分之一，傳統方法是應用MCU或DSP通過軟件控制數據采集的模/數轉換，這樣必將頻繁中斷系統的運行從而減弱系統的數據運算，數據采集的速度也將受到限制。因此，DSP CPLD的方案被認為是數字信號處理系統的最優方案之一，由硬件控制模/數轉換和數據存儲，從而最大限度地提高系統的信號采集和處理能力。
1 系統總體方案
數據采集系統是基于DSP的信號處理系統中的一部分。框圖如圖1所示。該數字信號處理系統用于隨機共振理論在弱信號檢測中的應用研究中。整個系統由信號放大、信號濾波、信號采樣、高速數字信號處理、與主計算機的高速數據傳輸接口等部分組成。其中，信號放大是對輸入信號進行調理 以滿足采樣的要求；信號濾波是防止信號產生“混疊現象”；信號采樣是完成模擬信號的數字化；高速數字信號處理是在建立隨機共振模型的基礎上完成各種算法；與主計算機的高速數據傳輸接口是滿足信號檢測的實時性，將DSP處理的數據傳給計算機以進行進一步的處理。
基于Verilog HDL設計的自動狀態機由硬件控制A/D轉換以及自動向FIFO中存儲數據，采樣頻率由DSP系統輸出時鐘確定，當采樣數據達到一幀時，FIFO向DSP申請中斷，DSP系統啟動DMA完成數據讀取。這期間數據采集不中斷，從而實現連續的實時數據采集和實時數據處理。數據采集系統由A/D芯片MAX196、邏輯控制芯片EPM7128、FIFO芯片CY7C425組成。控制邏輯用Verilog HDL語言描述，并進行了仿零點和實際驗證。
圖2
2 硬件電路設計
2.1 A/D轉換芯片
系統A/D轉換由MAX196芯片實現。MAX196的特點為：
①12位A/D轉換精度，1/2 LSB線性度；
②單5V電源供電；
③軟件選擇模擬量輸入范圍，分別為：±10V、±5V、0～5V、0～10V；
④6模擬量輸入通道；
⑤6μs轉換時間，100ksps采樣速率；
⑥內部或外部采樣控制；
⑦內部或外部時鐘控制轉換。
在MAX196的控制字中：
①A2A1A0為通道選擇字：000～101分別代表通過0～5；
②BIP、RNG為輸入范圍和極性選擇；
③ACQMOD：采樣控制模式，0為內部控制采樣，1為外部控制采樣；
④PD1、PD0為時鐘與省電模式選擇。
內部轉換模式時序如圖2所示。當向MAX196寫入包含通道選擇、量程選擇、極性選擇的控制字時，完成A/D轉換的初始化。控制字的ACQMOD位用來選擇內部轉換模式和外部轉換模式，當寫入ACQMOD位為0的控制字時，將啟動內部轉換模式，這里采用內部采樣模式，一次轉換需要12個時鐘周期，轉換周期由芯片內部時鐘確定。寫入一個寫脈沖（WR CS）可以啟動一次轉換。當在A/D轉換期間寫入新的控制字時，將中止轉換并啟動一次新的采樣周期。A/D轉換結束，輸出低電平信號INT有效，信號RD讀取A/D轉換結果并復位INT信號，完整的一個轉換周期結束。
2.2 數據緩存器
系統采集的數據常常放在數據緩存器中。數據緩存區要求既要有與A/D芯片的接口，又要有與系統DSP的接口以提高數據吞吐率，因此常選用雙口RAM或FIFO。由于FIFO不需要地址尋址，為了簡化控制信號，本模塊采用FIFO芯片CY7C425作為數據緩存區。FIFO存儲器允許數據寫入和讀出不依賴于數據速率，并且總是以寫入的順序讀出。根據Full和Empty標志來判斷存儲器全滿或空。FIFO芯片可以進行數據寬度和存儲深度的擴展而不會增加額外的時間延遲。當寫信號（W）為低電平時發和寫操作，當讀信號（R）為低電平時發生讀操作。A/D轉換的結果通過寫操作不斷存入FIFO中，當FIFO滿時，Full標志有效，向系統申請中斷，DSP響應中斷，立即啟動DMA讀FIFO中的數據，當讀到空時，Empty標志有效，DSP停止讀入操作。采用兩片CY7C425擴展為18位1024字的高速異步FIFO存儲器，數據處理速度達到50MHz，可以實現數據的高速寫入和高速讀出。FIFO異步讀寫時序見圖3。
2.3 狀態機模塊
狀態機（FSM）完成自動A/D轉換和數據存儲，控制芯片是EPM7128SQC100。該狀態機由系統
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