在FPGA系統(tǒng)中,，實現(xiàn)對外部A/D數(shù)據(jù)采集電路的控制接口邏輯，由于其邏輯功能不是很復雜,，因此可采用自定義的方式,。采用這種方法進行設計有兩種途徑。①從軟件上去實現(xiàn),。這種方案將NIOS處理器作為一個主控制器,，通過編寫程序來控制數(shù)據(jù)轉換電路。由于NIOS處理器的工作頻率相對于外部設備來說要高出許多,，故此種方法會造成CPU資源極大的浪費,；②用FPGA 的邏輯資源來實現(xiàn)A/D采集電路的控制邏輯。FPGA有著豐富的邏輯資源和接口資源,，在其中實現(xiàn)并行的數(shù)據(jù)采集很少會受到硬件資源的限制,，在功能上，設計的接口控制邏輯相當于一個主控制器,，它是針對具體的外部電路而實現(xiàn)的,，容易滿足要求、又能節(jié)約資源,，提高系統(tǒng)性能,。因此,，采用硬件邏輯去實現(xiàn)控制將是一種較好的方式。

　　設計方案

　　通過對系統(tǒng)需求進行仔細分析,，此模塊的功能設計可分為數(shù)據(jù)采集控制邏輯,、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)處理邏輯三部分,，其整體功能框架圖如圖1,。

圖1 模塊功能框圖

　　說明：AVALON總線主要是用于連接片內處理器與外設，以構成可編程單芯片系統(tǒng),。

　　功能描述

• 數(shù)據(jù)采集控制邏輯：產(chǎn)生A/D轉換需要的控制信號,。
• 數(shù)據(jù)接口：提供一個外部A/D采集的數(shù)據(jù)流向AVALON總線的數(shù)據(jù)通道，主要是完成速度匹配,，接口時序轉換,。
• 數(shù)據(jù)處理單元：此部分主要是提供一些附加功能，如檢測外部信號或內部其它單元的工作狀態(tài),，進行簡單信息處理,。

　　設計分析

　　數(shù)據(jù)采集控制邏輯

　　在此以典型的模數(shù)轉換芯片ADC0804為例，進行電路設計,，ADC0804的數(shù)據(jù)寬度為8位,，數(shù)據(jù)轉換時間最快為100ms，轉換時鐘信號可以由內部施密特電路和外接RC電路構成的震蕩器產(chǎn)生,，也可以直接由外部輸入,，其頻率范圍：100KHz~1460KHz。在本設計中ADC0804的時鐘為最大輸入頻率,，控制信號時序如圖2,。

圖2 ADC0804控制信號時序圖

　　由ADC0804的時序可知，轉換過程由一個寫信號啟動,，轉換完成后,，輸出INTR信號，此時可以讀取數(shù)據(jù),。之后即可

進入下一個轉換周期,。由ADC0804的轉換時間可知，其最大采集頻率為10KHz,，只要用戶設置的采樣頻率不超過這個數(shù)值,，ADC0804就可以正常的工作。因此設計時要注意兩點：①寫信號的頻率要低于ADC0804的最大轉換頻率,；②在寫信號之后至少要有100ms的時延,，才能輸出讀信號。

　　在此,，提出兩種方法來實現(xiàn)ADC0804的控制信號時序：①主動模式—控制電路啟動A/D轉換后,，在INTR信號的作用下,，輸出讀信號，同時從ADC0804的數(shù)據(jù)總線上讀入數(shù)據(jù),，之后輸出一個寫信號,，開始下一次轉換。②被動模式—ADC0804的讀寫信號完全由控制電路按照固定的時序產(chǎn)生,，與其自身輸出無關,。

　　數(shù)據(jù)接口

　　相對于AVALON總線信號來說，A/D采樣的速率非常低,，而且,，AVALON總線的接口信號和ADC0804數(shù)據(jù)輸出的接口信號時序不一致。因此,，要實現(xiàn)滿足要求的數(shù)據(jù)通道,，要做到兩點：①數(shù)據(jù)緩沖，實現(xiàn)速率匹配,；②信號隔離,，實現(xiàn)接口時序的轉換。解決這兩點,，可以將兩端口通過一個異步的FIFO連接,，該FIFO應該是可以在不同的時鐘信號下進行異步的讀寫,。這樣的一個FIFO的實現(xiàn)可以在Quartus-II里面用ALTERA公司提供的FIFO Core進行定制,。在本設計中，定制的FIFO模塊如圖3,。

圖3 FIFO模塊

　　設計實現(xiàn)

　　圖4為在Quartus-II中設計實現(xiàn)的ADC0804數(shù)據(jù)采集接口控制模塊的原理圖,。

圖4  A/D數(shù)據(jù)采集控制模塊原理圖

　　其中read、readdata,、reset,、irq分別與AVALON總線相同命名的信號線相連，readclk與AVALON總線中clk相連,， AD_50與FPGA的系統(tǒng)時鐘相連,，wr_n、rd_n,、writedata分別與ADC0804的寫信號線,、讀信號線、數(shù)據(jù)線相連,。ADC0804控制信號產(chǎn)生單元的實現(xiàn),，采用的是上文提到的被動模式，該單元以固定的時序產(chǎn)生讀寫信號,，本設計使用的采樣頻率約為3200Hz,，此頻率可以根據(jù)用戶的需要而設定( 不大于10KHz即可),。

　　當系統(tǒng)加電后，wr_n輸出一個有效的寫信號啟動A/D轉換,，經(jīng)過足夠的時間后(T=327μs~328μs),，輸出讀信號，此時數(shù)據(jù)接口單元的寫允許信號wr_fifo變?yōu)橛行?，同時外部A/D轉換器的讀允許信號也變?yōu)橛行?，此后ADC0804的數(shù)據(jù)端口上輸出有效數(shù)據(jù)，在wr_clk的上升沿將A/D轉換器的數(shù)據(jù)讀入FIFO,?？刂七壿媶卧臅r序仿真圖如圖5。

　　由圖5可知,，wr_fifo有效時,，ADC0804必須在wr_clk的上升沿到來之前在其數(shù)據(jù)端口輸出有效的數(shù)據(jù)。由于wr_clk的周期為1ms,，ADC0804的輸出鎖存由其讀引腳rd控制,，rd變?yōu)橛行Ъ纯奢敵鲇行У臄?shù)據(jù)，故只要ADC0804的讀信號rd在外部輸入的作用下變?yōu)橛行У臅r間不超過500ns,，讀操作就不會出現(xiàn)問題,。ADC0804的rd信號三態(tài)延時最大為200ns，典型值為125ns,，因此控制信號產(chǎn)生邏輯單元滿足要求,。

圖5  控制信號時序仿真

　　當NIOS系統(tǒng)需要讀取數(shù)據(jù)時，在read和readclk上出現(xiàn)的是系統(tǒng)AVALON總線上的讀時序,。時序圖如圖6,。

圖6  基本從端口讀傳輸

　　在AVALON總線中定義了兩種類型的信號，一種是高電平有效,，另一種是低電平有效,。在本設計中選用的是高電平有效的類型。圖6是低電平有效的總線信號,，與之對應的高電平有效的總線信號時序圖中,，read在有效時為高電平對應于圖6中的readn的低電平部分。而address,，be-n和chipselect在此可以不與考慮,，添加到AVALON總線時，系統(tǒng)會自動處理其連接問題,。

　　當系統(tǒng)不讀取A/D轉換的數(shù)據(jù)時,，采集的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理單元控制處理。數(shù)據(jù)處理單元實現(xiàn)了對外部信號量的異常檢測，即,，當外部信號的幅值超出設定范圍時,，該單元產(chǎn)生一個

中斷信號，通知CPU采取相關處理措施,，否則,，在FIFO滿的時候，將其內容清空,。

　　結語

　　經(jīng)測試,，本設計可以不間斷無數(shù)據(jù)丟失的進行數(shù)據(jù)采集，CPU可以主動的讀取數(shù)據(jù),，也可以在數(shù)據(jù)處理單元檢測到外部異常信號時被動的獲取數(shù)據(jù),，并且CPU讀取數(shù)據(jù)的操作極其簡單，運行時只占用很少的CPU資源,，在此,，謹希望本文能在如何設計NIOS系統(tǒng)外設方面給讀者以參考借鑒。