在FPGA系統(tǒng)中,，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部A/D數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">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(fù)雜，因此可采用自定義的方式,。采用這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)有兩種途徑,。①?gòu)能浖先?shí)現(xiàn),。這種方案將NIOS處理器作為一個(gè)主控制器，通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路,。由于NIOS處理器的工作頻率相對(duì)于外部設(shè)備來(lái)說(shuō)要高出許多,，故此種方法會(huì)造成CPU資源極大的浪費(fèi)；②用FPGA 的邏輯資源來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)并行的數(shù)據(jù)采集很少會(huì)受到硬件資源的限制，在功能上,，設(shè)計(jì)的接口控制邏輯相當(dāng)于一個(gè)主控制器,，它是針對(duì)具體的外部電路而實(shí)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(shí)現(xiàn)控制將是一種較好的方式,。

設(shè)計(jì)方案

　　通過(guò)對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行仔細(xì)分析，此模塊的功能設(shè)計(jì)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,。

　　說(shuō)明：AVALON總線主要是用于連接片內(nèi)處理器與外設(shè),，以構(gòu)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(zhuǎn)換需要的控制信號(hào),。

　　*數(shù)據(jù)接口：提供一個(gè)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(shí)序轉(zhuǎn)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(cè)外部信號(hào)或內(nèi)部其它單元的工作狀態(tài)，進(jìn)行簡(jiǎn)單信息處理,。

設(shè)計(jì)分析

　　數(shù)據(jù)采集控制邏輯

　　在此以典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804為例,，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，ADC0804的數(shù)據(jù)寬度為8位,，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間最快為100ms,，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘信號(hào)可以由內(nèi)部施密特電路和外接RC電路構(gòu)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(shè)計(jì)中ADC0804的時(shí)鐘為最大輸入頻率,，控制信號(hào)時(shí)序如圖2,。

　　由ADC0804的時(shí)序可知,，轉(zhuǎn)換過(guò)程由一個(gè)寫(xiě)信號(hào)啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換完成后,，輸出INTR信號(hào),，此時(shí)可以讀取數(shù)據(jù)。之后即可進(jìn)入下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期,。由ADC0804的轉(zhuǎn)換時(shí)間可知,，其最大采集頻率為10KHz，只要用戶設(shè)置的采樣頻率不超過(guò)這個(gè)數(shù)值,，ADC0804就可以正常的工作,。因此設(shè)計(jì)時(shí)要注意兩點(diǎn)：①寫(xiě)信號(hào)的頻率要低于ADC0804的最大轉(zhuǎn)換頻率；②在寫(xiě)信號(hào)之后至少要有100ms的時(shí)延,，才能輸出讀信號(hào),。

　　在此，提出兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)ADC0804的控制信號(hào)時(shí)序：①主動(dòng)模式—控制電路啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后,，在INTR信號(hào)的作用下,，輸出讀信號(hào)，同時(shí)從ADC0804的數(shù)據(jù)總線上讀入數(shù)據(jù),，之后輸出一個(gè)寫(xiě)信號(hào),，開(kāi)始下一次轉(zhuǎn)換。②被動(dòng)模式—ADC0804的讀寫(xiě)信號(hào)完全由控制電路按照固定的時(shí)序產(chǎn)生,，與其自身輸出無(wú)關(guān),。

數(shù)據(jù)接口

　　相對(duì)于AVALON總線信號(hào)來(lái)說(shuō)，A/D采樣的速率非常低,，而且,，AVALON總線的接口信號(hào)和ADC0804數(shù)據(jù)輸出的接口信號(hào)時(shí)序不一致。因此,，要實(shí)現(xiàn)滿足要求的數(shù)據(jù)通道,，要做到兩點(diǎn)：①數(shù)據(jù)緩沖，實(shí)現(xiàn)速率匹配,；②信號(hào)隔離,，實(shí)現(xiàn)接口時(shí)序的轉(zhuǎn)換。解決這兩點(diǎn),，可以將兩端口通過(guò)一個(gè)異步的FIFO連接,，該FIFO應(yīng)該是可以在不同的時(shí)鐘信號(hào)下進(jìn)行異步的讀寫(xiě)。這樣的一個(gè)FIFO的實(shí)現(xiàn)可以在Quartus-II里面用ALTERA" title="ALTERA">ALTERA公司提供的FIFO Core進(jìn)行定制,。在本設(shè)計(jì)中,，定制的FIFO模塊如圖3。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　圖4為在Quartus-II中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的ADC0804數(shù)據(jù)采集接口控制模塊的原理圖。

　　其中read,、readdata,、reset、irq分別與AVALON總線相同命名的信號(hào)線相連,，readclk與AVALON總線中clk相連,， AD_50與FPGA的系統(tǒng)時(shí)鐘相連，wr_n,、rd_n,、writedata分別與ADC0804的寫(xiě)信號(hào)線、讀信號(hào)線,、數(shù)據(jù)線相連,。ADC0804控制信號(hào)產(chǎn)生單元的實(shí)現(xiàn)，采用的是上文提到的被動(dòng)模式,，該單元以固定的時(shí)序產(chǎn)生讀寫(xiě)信號(hào),，本設(shè)計(jì)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(shè)定( 不大于10KHz即可),。

　　當(dāng)系統(tǒng)加電后,，wr_n輸出一個(gè)有效的寫(xiě)信號(hào)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)足夠的時(shí)間后(T=327μs~328μs),，輸出讀信號(hào),，此時(shí)數(shù)據(jù)接口單元的寫(xiě)允許信號(hào)wr_fifo變?yōu)橛行В瑫r(shí)外部A/D轉(zhuǎn)換器的讀允許信號(hào)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(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)讀入FIFO?？刂七壿媶卧臅r(shí)序仿真圖如圖5,。

　　由圖5可知，wr_fifo有效時(shí),，ADC0804必須在wr_clk的上升沿到來(lái)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(hào)rd在外部輸入的作用下變?yōu)橛行У臅r(shí)間不超過(guò)500ns，讀操作就不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題,。ADC0804的rd信號(hào)三態(tài)延時(shí)最大為200ns,，典型值為125ns，因此控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯單元滿足要求,。

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

　　在AVALON總線中定義了兩種類型的信號(hào),，一種是高電平有效,，另一種是低電平有效。在本設(shè)計(jì)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(hào)，與之對(duì)應(yīng)的高電平有效的總線信號(hào)時(shí)序圖中,，read在有效時(shí)為高電平對(duì)應(yīng)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(shí),，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)處理其連接問(wèn)題。

　　當(dāng)系統(tǒng)不讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)時(shí),，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(shí)現(xiàn)了對(duì)外部信號(hào)量的異常檢測(cè)，即,，當(dāng)外部信號(hào)的幅值超出設(shè)定范圍時(shí),，該單元產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，通知CPU采取相關(guān)處理措施,，否則,，在FIFO滿的時(shí)候，將其內(nèi)容清空,。
　　
結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)測(cè)試,，本設(shè)計(jì)可以不間斷無(wú)數(shù)據(jù)丟失的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，CPU可以主動(dòng)的讀取數(shù)據(jù),，也可以在數(shù)據(jù)處理單元檢測(cè)到外部異常信號(hào)時(shí)被動(dòng)的獲取數(shù)據(jù),，并且CPU讀取數(shù)據(jù)的操作極其簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)只占用很少的CPU資源,，在此,，謹(jǐn)希望本文能在如何設(shè)計(jì)NIOS系統(tǒng)外設(shè)方面給讀者以參考借鑒。