在需要采集多路模擬信號、開關(guān)信號,、頻率(計數(shù))信號以及編碼器信號等的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中,，利用通用板卡構(gòu)成計算機(jī)測控系統(tǒng)是可行的，但對于產(chǎn)品的批量應(yīng)用,，其成本與綜合性能不能令人滿意,。技術(shù)成熟的CPLD芯片的應(yīng)用，可以很好地將邏輯控制,、數(shù)字信號處理等功能集于一身,，使以往需要利用多塊信號板卡才能完成的任務(wù)整合于同一采集控制器中，從而有效地提高測控系統(tǒng)的可靠性,，降低測控系統(tǒng)的實現(xiàn)成本,。
　　本文設(shè)計一種基于CPLD的數(shù)據(jù)采集控制板。它能實現(xiàn)信號采集與控制,、信號處理,、通訊及輸出控制等功能。
1 總體設(shè)計方案
　　本專用數(shù)據(jù)采集控制板利用CPLD作為主控制器,，統(tǒng)一協(xié)調(diào)通道切換與數(shù)字信號處理,、實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與接口傳輸邏輯控制。該數(shù)據(jù)采集控制板共有四種類型的信號輸入和一種開關(guān)信號量輸出,。圖1給出其基本硬件模塊組成,。

　　利用CPLD的資源和結(jié)構(gòu)特點是本設(shè)計的核心。為提高編碼器輸入信號" title="輸入信號">輸入信號的分辨力,，配套設(shè)計一個四倍頻電路,，并在通道后端設(shè)計一個脈沖靜態(tài)計數(shù)電路，使輸入信號轉(zhuǎn)換為8bit信號掛接到采集板總線上,。八路模擬輸入信號主要依靠CPLD實現(xiàn)通道切換和A/D" title="A/D">A/D采樣,，采樣數(shù)據(jù)也以8bit信號并行進(jìn)入總線?？紤]到提高計數(shù)精度的要求,，對兩路頻率輸入信號設(shè)計了一個動態(tài)計數(shù)電路，使計數(shù)值通過總線讀出,。I/O" title="I/O">I/O切換控制,、EPP接口電路等都按一定的邏輯要求采用同一CPLD元件來實現(xiàn)。如此可使硬件電路十分簡單,，并有利于上位機(jī)編程實現(xiàn),。
2 數(shù)據(jù)接口
　　根據(jù)IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)并行口(SPP),、增強(qiáng)并行口(EPP)和擴(kuò)展并行口(ECP)三種模式中,，EPP模式既具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，又具有較高的數(shù)據(jù)傳輸能力,，且編程操作相對容易,，最適合在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用^[1]。
　　從硬件設(shè)計角度考慮,，EPP接口的主要功能之一是將采集到的數(shù)據(jù)上傳給計算機(jī)或?qū)㈤_關(guān)控制命令下載到采集控制板(數(shù)據(jù)流對應(yīng)8bit數(shù)據(jù)端口),；之二是實現(xiàn)硬件接口之間的信號通訊握手(控制狀態(tài)對應(yīng)其它I/O端口)。EPP協(xié)議定義了四種數(shù)據(jù)傳輸基本操作：數(shù)據(jù)讀,、數(shù)據(jù)寫,、地址讀、地址寫,。工作時首先寫入I/O鎖存地址即模塊操作的I/O地址,，然后進(jìn)行相應(yīng)的讀出或?qū)懭氩僮鳌Ｈ绻恍鐸/O地址變化,，那么就不再進(jìn)行I/O地址鎖存操作,。EPP模式下一共定義17根信號線，除8根雙向地址線和數(shù)據(jù)復(fù)用線外,，還有輸出控制信號線WRITE,、DSTROBE、ASTROBE,、INIT,，其中WRITE、DSTROBE和ASTROBE用于表示數(shù)據(jù)讀寫操作,。WRITE為低時表示正在進(jìn)行寫操作,，DSTROBE為低表示進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，而ASTROBE為低則表示進(jìn)行地址操作,。EPP的INIT信號用來復(fù)位打印機(jī),，本設(shè)計用來預(yù)置光電編碼器的初始計數(shù)值,。另外還有五根狀態(tài)信號線。WAIT信號由外設(shè)發(fā)出,，高電平表示正在進(jìn)行讀寫操作,，低電平表示操作完成。但本設(shè)計沒有利用該信號,，因為前面三個讀寫信號已完全能滿足要求,。MAX197數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC連接到并口的SELECT線上，主機(jī)查詢到SELECT線為低時,，表示一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,，可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。其余三根狀態(tài)線空置作為備用,。 表1給出了IEEE1284協(xié)議EPP模式下的管腳定義,。

　　根據(jù)IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)對EPP模式的地址、數(shù)據(jù)讀寫操作的規(guī)定,，可采用圖2的邏輯結(jié)構(gòu)分別實現(xiàn)地址寫,、數(shù)據(jù)寫和數(shù)據(jù)讀。在圖2中,，輸入信號中STB表示寫信號,，ASTB表示地址寫信號，DSTB表示數(shù)據(jù)寫信號,；輸出信號中Add_WR表示地址寫信號,、高電平有效，Add_WRN表示地址寫信號,、低電平有效,，Data_WR表示數(shù)據(jù)寫信號、高電平有效,、Data_WRN表示數(shù)據(jù)寫信號,、低電平有效；Data_RD表示數(shù)據(jù)讀信號,。如此設(shè)計的目的是使該接口能方便地適應(yīng)各種邏輯器件的操作要求,。圖3給出了采用MAXPLUS軟件對上述邏輯信號進(jìn)行仿真的操作時序波形。
　　EPP模式可在上位機(jī)BIOS中設(shè)置或通過寫ECR寄存器直接設(shè)置(并行適配器基地址為0X378H,，I/O端口地址為77AH),。

3 編碼器信號處理
　　對于編碼器輸入信號，針對增量式光電編碼器的輸出具有A相,、B相方波正交信號,，而且二者相序取決于編碼器的正反轉(zhuǎn)方向，設(shè)計了一個四倍頻及判向電路,，如圖4所示,。

　　在圖4中,，CLK信號來自獨立振蕩源，其頻率高于編碼器最大輸出頻率四倍以上,，但也不宜過高,，以免導(dǎo)致CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)中信號競爭等問題。INA和INB分別為編碼器輸入的A相信號和B相信號,，CNT_UP和CNT_DN分別為輸出的正轉(zhuǎn)倍頻信號和反轉(zhuǎn)倍頻信號。為保證編碼器處于任何轉(zhuǎn)角位置都能可靠地讀出數(shù)據(jù),，編碼器倍頻信號最終以16bit靜態(tài)計數(shù)碼方式輸出,，CNT_UP和CNT_DN分別作為后續(xù)靜態(tài)計數(shù)電路的“加”和“減”計數(shù)輸入信號端。在限定轉(zhuǎn)動角度≤6×360°情況下,，對于16bit計數(shù)碼,，計數(shù)電路允許的最大計數(shù)值為65536，計數(shù)值可以按高低八位分兩次讀出,。為提高編碼器工作可靠性,，也可以考慮進(jìn)行格雷碼轉(zhuǎn)換。圖5給出的是圖4電路的信號仿真波形,。

4 頻率測量
　　對于頻率輸入信號,，采用等精度測頻方法測量頻率。這種方法在實際閘門時間為被測信號頻率整數(shù)倍的條件下,，對被測信號計數(shù)時產(chǎn)生的±1個字誤差可以完全消除掉^[3],，并可使整個頻率區(qū)域保持恒定的測試精度。
　　圖6給出了等精度測量原理圖,，其測量原理為：首先給出閘門開啟信號(預(yù)置門控信號SWITCH的上升沿),，此時計數(shù)器CNT1和CNT2并不開始計數(shù)，而是等到被測信號SIGIN的上升沿到來時,，計數(shù)器才開始真正計數(shù),。經(jīng)過一段時間后，預(yù)置閘門關(guān)閉信號(門控信號SWITCH的下降沿)到來時,，計數(shù)器并不立即停止計數(shù),，而是等到被測信號SIGIN的上升沿到來時才結(jié)束計數(shù)，完成一次測量過程,。此時可分別讀出計數(shù)器CNT1和CNT2的計數(shù)值OUT1和OUT2,，用被測信號SIGIN的計數(shù)值OUT2除以標(biāo)準(zhǔn)信號CLK的計數(shù)值OUT1，再乘以標(biāo)準(zhǔn)信號CLK的頻率值就得到了被測信號SIGIN的頻率值,。

　　使用時為提高測量精度,，基準(zhǔn)信號CLK可以采用高精度的時鐘源，因?qū)r鐘源和被測信號同步計數(shù),，計數(shù)時間長度不會影響計算結(jié)果,。圖7給出了等精度測頻法信號仿真波形圖,。
5 A/D轉(zhuǎn)換器與I/O切換控制
　　對于模擬輸入信號，采用12bit的MAX197作為A/D信號轉(zhuǎn)換器,。該控制字" title="控制字">控制字器件工作的基本過程是：首先由地址總線選通MAX197,，然后通過數(shù)據(jù)總線向MAX197內(nèi)部寄存器寫入模擬通道控制字。該控制字決定了所選的通道號,、通道輸入電壓范圍,、極性以及內(nèi)部或外部觸發(fā)采集方式等。例如,，輸入電壓范圍為雙極性,、內(nèi)部觸發(fā)采集方式、第一通道,，則應(yīng)寫入16進(jìn)制數(shù)48H,，而對第八通道則寫入4FH?？刂谱謱懭牒?，MAX197立即啟動通道轉(zhuǎn)換，經(jīng)過約10μs后轉(zhuǎn)換完畢,。轉(zhuǎn)換結(jié)果放置在數(shù)據(jù)總線上,，首先將其高低位切換腳HBEN置為低，此時數(shù)據(jù)總線先讀取結(jié)果的低八位,，再置HBEN為高,，則結(jié)果的高四位放在MAX197的D0~D3口上。同時置腳INT為低,，通知控制器轉(zhuǎn)換完成,。MAX197的轉(zhuǎn)換結(jié)果用補(bǔ)碼表示，最高位為符號位,。
　　本系統(tǒng)中還具有八路開關(guān)量輸入輸出功能切換控制,。這兩種功能分別由CPLD內(nèi)部的74244和74373實現(xiàn)。接口邏輯如圖8所示,。外部接口通過光耦隔離輸入輸出,。開關(guān)量寫入的順序是先由地址總線選通74373，然后寫入相應(yīng)的命令字,。數(shù)字量讀入與此類似,。具體控制信號由 EPP總線讀寫邏輯給出。

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