引 言

　　數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)是對生產(chǎn)過程或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中各種物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,、測試和反饋控制的閉環(huán)控制,，它在工業(yè)控制、軍事電子設(shè)備,、醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)等許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,。其中，數(shù)據(jù)采集部分尤為重要,，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，通常采用單片機(jī)或DSP作為控制器，用以控制ADC,、存儲(chǔ)器和其他外圍電路的工作,，使得采集速度和效率降低。近年來,，微電子技術(shù),，如：大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ),。從而使器件向模塊化和單片化發(fā)展,，使所用軟件均向?qū)崟r(shí)高級語言和軟件模塊化發(fā)展，接口向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展,。由于FPGA時(shí)鐘頻率高,，內(nèi)部延時(shí)小，全部控制邏輯均由硬件完成,，速度快,，效率高，同時(shí)它有非常強(qiáng)大的硬件描述語言和仿真工具,，方便檢驗(yàn)結(jié)果的正確性,。基于以上考慮,，在設(shè)計(jì)中采用FPGA作為控制處理器,。而VGA接口的設(shè)計(jì)，更突出了該模塊的兼容性,，更易于采集數(shù)據(jù)的直觀表現(xiàn),。

　　
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　完整的數(shù)據(jù)采集過程通常由數(shù)據(jù)的通道選擇、采樣,、存儲(chǔ),、顯示構(gòu)成，有時(shí)也要對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼Ｆ渲?，控制模塊起到了核心作用,，他作為控制信號(hào)產(chǎn)生和處理的中樞對這些外圍電路進(jìn)行著實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理。設(shè)計(jì)過程中采用FPGA作為控制器,，完成對A／D轉(zhuǎn)換器的控制,，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一定的存儲(chǔ)單元．通過VGA接口協(xié)議，最后在顯示器上顯示,。具體涉及的外圍電路中,，數(shù)據(jù)采集部分主要應(yīng)用ADC0809作為數(shù)據(jù)采集芯片,，對輸入的模擬量進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換,；數(shù)據(jù)緩存部分應(yīng)用6116作為存儲(chǔ)芯片，用來緩存0809采集的數(shù)據(jù),；按鍵控制部分利用8個(gè)按鍵來控制0809的轉(zhuǎn)換通道選擇,；圖形顯示部分輸出標(biāo)準(zhǔn)的VGA信號(hào)，使用CRT顯示器,，以顯示實(shí)時(shí)波形,。由于在設(shè)計(jì)中對外部器件進(jìn)行控制的控制器都是由FPGA完成的，F(xiàn)P-GA的工作量很大,，因此所采用的FPGA芯片為FLEX系列中30萬門的EPF10K30,。

　　
2 基于FPGA的主控模塊的實(shí)現(xiàn)

　　主控制器的工作原理如圖1所示。

　　通過一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換控制器產(chǎn)生對ADC0809的控制信號(hào),。啟動(dòng)ADC0809之后,，隨即就會(huì)按照一定頻率進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。同時(shí)通過一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)將數(shù)據(jù)鎖存到A／D轉(zhuǎn)換控制模塊中,。這個(gè)鎖存信號(hào)將作為RAM控制器寫輸入控制信號(hào),。當(dāng)RAM讀寫控制器的寫控制信號(hào)有效之后，將開啟RAM的寫使能有效信號(hào),，將采集到的數(shù)據(jù)寫入RAM的第600個(gè)地址單元中,，然后RAM控制器將RAM中的數(shù)據(jù)向上移動(dòng)一位，移動(dòng)完之后,，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)更新完畢信號(hào),，之后才通過內(nèi)部的一個(gè)控制信號(hào)，允許從RAM讀出數(shù)據(jù),。若RAM中讀數(shù)據(jù)使能,，每當(dāng)VGA顯示控制器發(fā)出一個(gè)讀數(shù)據(jù)命令時(shí)，RAM讀寫控制器便開啟RAM的讀有效信號(hào),，讀出RAM中的數(shù)據(jù),，并且通過VGA控制器的時(shí)序控制和輸出信號(hào)進(jìn)行顯示。外部的按鍵部分共有8個(gè)，這8個(gè)按鍵控制ADC0809的8路通道的選擇,。鍵盤控制器的功能就是掃描所按下按鍵的行和列值,，并且合成鍵值。轉(zhuǎn)換成按鍵數(shù)值0～7,，最終控制8個(gè)模擬輸入通道的選擇,。

　　2．1 VGA顯示控制器的設(shè)計(jì)

　　常見的彩色顯示器一般由陰極射線管(CRT)構(gòu)成，彩色是由紅,、黃,、藍(lán)(R，G,，B)三基色組成的,，用逐行掃描的方式解決圖像顯示。其引出線共含5個(gè)信號(hào)：R,，G,，B三基色信號(hào)；HS,；行同步信號(hào),；VS；場同步信號(hào),。

　　對于VGA顯示器的這五個(gè)信號(hào)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”,，即640×480×60模式，否則會(huì)損害VGA顯示器,。在此,，控制器共有2個(gè)輸入信號(hào)，6個(gè)輸出信號(hào),。CLK連接到外部的晶振上,，其晶振頻率是50 MHz。由于VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的晶振頻率是25 MHz,。因此,，在此控制器中首先要將時(shí)鐘進(jìn)行二分頻。RD是一個(gè)8位的數(shù)據(jù)量,，它接收從RAM讀出的數(shù)據(jù),。輸出信號(hào)READ用于控制RAM控制模塊開啟RAM的讀有效信號(hào)，只要READ有變化,，那么將進(jìn)入讀數(shù)據(jù)狀態(tài),，由RD接收讀出來的數(shù)據(jù)。HS和VS分別是行同步信號(hào)和場同步信號(hào),，R,，G,，B為三條輸出的信號(hào)線。顯示波形是通過改變R,，G,，B這三條輸出信號(hào)的值來實(shí)現(xiàn)的。

　　每讀出一個(gè)數(shù)據(jù),，其實(shí)是對應(yīng)著一個(gè)像素點(diǎn),。由于這里所采集的電壓值范圍是0～5 V，對應(yīng)ADC0809轉(zhuǎn)換成的數(shù)據(jù)量是0x00～0xFF,、,，所以在設(shè)計(jì)時(shí)只要將RD接收的具體數(shù)值與顯示器中的某一行相對應(yīng)即可，具體實(shí)現(xiàn)用比較語句就可以實(shí)現(xiàn)行定位,，同時(shí)列輔助寄存器LLV加1即可,，這樣即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)波形。這些點(diǎn)連接起來就是一個(gè)完整的波形,，而其中行同步和場同步信號(hào)的產(chǎn)生則分別由內(nèi)部信號(hào)CC,，LL根據(jù)已知的輸入時(shí)鐘,，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的方式,，達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的頻率。

　2．2 A／D轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計(jì)

　　在此設(shè)計(jì)中,，是利用狀態(tài)機(jī)對A／D轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制的,。控制ADC0809采樣狀態(tài)圖,，如圖2所示,。

　　在狀態(tài)ST0中，對0809進(jìn)行初始化,，之后進(jìn)入到狀態(tài)ST1,；在狀態(tài)ST1中，ALE和START信號(hào)有效,，這時(shí)EOC信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)ST2。此時(shí),，需要對0809工作狀態(tài)信號(hào)EOC進(jìn)行測試,，如果為低電平，表示轉(zhuǎn)換沒結(jié)束,，仍需要停留在ST2狀態(tài)中等待,，直到變成高電平后才說明轉(zhuǎn)換結(jié)束，在下一時(shí)鐘脈沖到來時(shí)轉(zhuǎn)向狀態(tài)ST3,。在狀態(tài)ST3,，由狀態(tài)機(jī)向0809發(fā)出轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)輸出允許命令,，這一狀態(tài)周期同時(shí)可作為數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定周期，以便能在下一狀態(tài)中向鎖存器中鎖入可靠的數(shù)據(jù),。在狀態(tài)ST4,，由狀態(tài)機(jī)向FPGA中的鎖存器發(fā)出鎖存信號(hào)，將0809輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存,。

　　2．3 RAM讀寫控制器的設(shè)計(jì)

　　在該模塊設(shè)計(jì)中,，RAM讀寫控制模塊又分為讀控制模塊、寫控制模塊和讀寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊,。寫控制模塊中兩個(gè)輸入信號(hào)分別與A／D轉(zhuǎn)換控制模塊的數(shù)據(jù)鎖存和轉(zhuǎn)換輸出相連,。當(dāng)鎖存信號(hào)使能，即發(fā)出寫信號(hào),，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部RAM的第600個(gè)地址空間之后,，再對之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行前移，以達(dá)到數(shù)據(jù)的及時(shí)更新,。讀控制模塊的控制信號(hào)分別與寫更新完畢信號(hào)和讀信號(hào)相連,，當(dāng)寫更新完畢信號(hào)使能時(shí)，只要接到讀信號(hào),，則依次讀完外部RAM前600個(gè)地址空間(一場)的數(shù)據(jù),。

　　2．4 鍵盤掃描控制器的設(shè)計(jì)

　　鍵盤控制模塊由四個(gè)模塊組成，包括：時(shí)鐘分頻模塊,、行鍵值輸出模塊,、鍵值鎖存模塊和鍵值合成模塊。鍵值鎖存模塊將按下按鍵的行,、列信息鎖存,，并交由鍵值合成模塊，該模塊配合行鍵輸出模塊輸出的結(jié)果進(jìn)行查表,，最終確定鍵值,。

　　
3 仿真結(jié)果

　　Max+PlusⅡ仿真平臺(tái)的圖形輸入方式直觀，符合傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣,，便于進(jìn)行接口的設(shè)計(jì),，容易實(shí)現(xiàn)仿真，便于信號(hào)的觀察,?；谝陨峡紤]，利用此平臺(tái),，用硬件描述語言VHDL來實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊,，A／D轉(zhuǎn)換控制器和VGA顯示控制器模塊的時(shí)序仿真結(jié)果如圖3、圖4所示,。

　　
4 結(jié) 語

　　這里的數(shù)據(jù)采集控制模塊主要以FPGA為基礎(chǔ),，本著軟件硬件化的思路,，著重研究主控制模塊的實(shí)現(xiàn)。由于采用FPGA作為控制處理器,，其速度快,，效率高，且標(biāo)準(zhǔn)的VGA接口使得系統(tǒng)的使用更加便捷,，鍵盤控制的多通道間切換,，也為實(shí)現(xiàn)多路采集奠定了基礎(chǔ)。