摘 要： 采用FPGA器件EP1C12Q240C8實(shí)現(xiàn)對(duì)高速A／D轉(zhuǎn)換芯片ADC08200的實(shí)時(shí)采樣控制，解決了傳統(tǒng)方法的速度問題。使用VHDL語言采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法編寫出源程序；結(jié)合FIFO存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高速A/D采集轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并給出了采樣存儲(chǔ)電路原理圖。數(shù)據(jù)處理可通過與SoPC技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： FPGA；ADC08200；FIFO；VHDL
對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣控制，傳統(tǒng)方法一般是用 CPU或單片機(jī)完成的。其優(yōu)點(diǎn)是編程簡單、控制靈活，但缺點(diǎn)是控制周期長、速度慢。例如 MCS-51系列單片機(jī)最高時(shí)鐘頻率為12 MHz，AT89C2051單片機(jī)為24 MHz，這樣當(dāng)A/D本身的采樣速度比較快時(shí)，CPU或單片機(jī)的慢速工作時(shí)序?qū)O大地限制A/D高速性能的利用。當(dāng)采用FPGA對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)，由于FPGA的時(shí)鐘頻率可達(dá) 100 MHz以上，從而可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集，還可以把采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入FPGA內(nèi)部的高速RAM中。本設(shè)計(jì)是利用FPGA直接控制高速ADC08200對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，采集速度可達(dá)200 MS/s，然后將轉(zhuǎn)換好的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)迅速存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部的FIFO存儲(chǔ)器中。在完成對(duì)模擬信號(hào)一個(gè)周期的采樣后，由外部電路系統(tǒng)將存儲(chǔ)器中的采樣數(shù)據(jù)讀出處理。采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法可將本設(shè)計(jì)分為控制器模塊和FIFO緩沖模塊。
1 控制器模塊設(shè)計(jì)
1.1 ADC08200芯片功能介紹
ADC08200[1]是美國國家半導(dǎo)體(NS)公司生產(chǎn)的單通道、低功耗、高速8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有成本低、功耗低、體積小和易于使用等優(yōu)點(diǎn)。最高采樣頻率達(dá)200 MS/s。在掉電模式下ADC0820僅消耗1 mW。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)在50 MHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的輸入情況下可達(dá)到7.3有效采樣位。單電源3 V或2.5 V的供電，內(nèi)帶高質(zhì)量參考源和高性能采樣保持電路。
主要端口：
CLK：時(shí)鐘輸入端；
VIN：模擬信號(hào)輸入端；
PD：掉電保護(hù)，當(dāng)PD為低時(shí)，D0～D7正常輸出，當(dāng)PD為高時(shí)，D0～D7輸出保持；
D0～D7：數(shù)據(jù)輸出端口。D0為數(shù)據(jù)最低位，D7為最高位；
圖1、圖2分別為ADC08200的工作時(shí)序圖和外圍接口電路圖。
1.2 基于VHDL控制器的軟件設(shè)計(jì)
VHDL是一種硬件描述語言，它可以對(duì)電子電路和系統(tǒng)的行為進(jìn)行描述?；谶@種描述，結(jié)合相關(guān)的軟件工具，可以得到所期望的實(shí)際電路與系統(tǒng)。根據(jù)ADC08200的特點(diǎn)，可通過硬件描述語言（VHDL）設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)機(jī)，最后下載到FPGA芯片上,通過FPGA芯片控制ADC08200的工件。時(shí)鐘由外部引入，由分頻模塊得到想要的時(shí)鐘。設(shè)計(jì)過程為編寫VHDL[2]代碼，然后在QuartusⅡ[3]平臺(tái)下進(jìn)行編譯、仿真，最后下載到FPGA芯片中。仿真圖代碼如圖3所示。
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
ENTITY adc08200 IS
PORT (RST ：IN STD_LOGIC；
CLK ：IN STD_LOGIC；
D ：IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)；
CTLOE：IN STD_LOGIC；
ADCLK：OUT STD_LOGIC；
ADPD ：OUT STD_LOGIC；
DATA ：OUT
STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)；
DCLK ：OUT STD_LOGIC)；
END ENTITY adc08200；
ARCHITECTURE BEHAVIOURAL OF adc08200 IS
TYPE ADS_STATES IS(STATE0_TYPE，STATE1_
TYPE)；
SIGNAL STA_G_CURRENTSTATE ： ADS_STATES；
SIGNAL STA_G_NEXTSTATE ： ADS_STATES；
SIGNAL CTL_GP_LATCHFLAG ： STD_LOGIC；
SIGNAL CTL_GP_CHIPSELECT ： STD_LOGIC；
BEGIN
COM：PROCESS(STA_G_CURRENTSTATE)
BEGIN
CASE STA_G_CURRENTSTATE IS
WHEN STATE0_TYPE =>ADCLK<=′1′；
CTL_GP_LATCHFLAG<=′1′；
DCLK<=′0′；
STA_G_NEXTSTATE<=STATE1_TYPE；
WHEN STATE1_TYPE =>ADCLK<=′0′；
CTL_GP_LATCHFLAG<=′0′；
DCLK<=′1′；
STA_G_NEXTSTATE<=STATE0_TYPE；
WHEN OTHERS=>ADCLK<=′0′；
CTL_GP_LATCHFLAG<=′0′；
DCLK<=′1′；
STA_G_NEXTSTATE<=STATE1_TYPE；
END CASE；
END PROCESS COM；
REG：PROCESS(CLK,RST)
BEGIN
IF RST=′0′ THEN STA_G_CURRENTSTATE<=
STATE0_TYPE；
ELSIF(CLK′EVENT AND CLK=′1′) THEN
STA_G_CURRENTSTATE<=STA_G_NEXTSTATE；
END IF；
END PROCESS REG；
LATCH：PROCESS(CTL_GP_LATCHFLAG)
BEGIN
IF RST=′0′ THEN DATA<=(OTHERS=>′0′)；
ELSIF(CTL_GP_LATCHFLAG'EVENT AND
CTL_GP_LATCHFLAG =′1′) THEN DATA<=D；
END IF；
END PROCESS LATCH；
CTL_GP_CHIPSELECT<=CTLOE；
ADPD<=NOT CTL_GP_CHIPSELECT；
END ARCHITECTURE BEHAVIOURAL；
2 高速存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)與功能仿真
FIFO是一種存儲(chǔ)器參數(shù)可設(shè)置模塊庫，在高速數(shù)字系統(tǒng)中常用作緩存。在高速數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)顯示領(lǐng)域中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速儲(chǔ)存和發(fā)送，要實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)采集、順序儲(chǔ)存和傳送，傳統(tǒng)的RAM型存儲(chǔ)器已經(jīng)無法滿足要求。目前許多高速系統(tǒng)都采用FIFO作為緩存體。因?yàn)镕IFO的寫入(讀出)時(shí)間只需要一個(gè)時(shí)鐘周期，不需要對(duì)地址進(jìn)行加1操作，大大提高了存儲(chǔ)速度。
利用LPM中的宏功能塊LPM_FIF0+，在QuartusⅡ平臺(tái)下定制一個(gè)高速的先進(jìn)先出FIFO，根據(jù)需要對(duì)所使用的宏功能塊的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，由此生成一個(gè)滿足自己特定需要的模塊。最后，利用例化語句，在頂層設(shè)計(jì)中調(diào)用該模塊。參數(shù)如下：
LPM_W lDTH=>8，LPM_NIJM W ORDS=>1024，LPM _SHOW AHEAD=>“OFF”，LPM_HIN=>“USE_EAB=ON”
圖4為模塊 FIFO時(shí)序圖和例化后的模塊。
3 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)與功能仿真
A/D轉(zhuǎn)換模塊與高速存儲(chǔ)模塊結(jié)合調(diào)理電路與數(shù)據(jù)處理電路就構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。調(diào)理電路和模擬信號(hào)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器ADC08200轉(zhuǎn)換模塊后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，傳給同樣由FPGA控制的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器FIFO。這樣就彌補(bǔ)了由單片機(jī)控制帶來的速度低的缺點(diǎn)。FIFO存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)可由單片機(jī)系統(tǒng)來讀取和處理。在QuartusⅡ平臺(tái)下使用原理圖輸入方式可以使設(shè)計(jì)得到簡化。系統(tǒng)的連接圖如圖5所示。其中CLK為時(shí)鐘信號(hào)；RST為復(fù)位信號(hào)；D[7..0]為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，接A/D的輸出；WR/RD為讀寫控制；RDCLK為讀時(shí)鐘；ACLR為清零信號(hào)；ADCLK接A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘CLK；ADPD接ADC08200的PD；WRFULL，RDEMPTY為寫滿，讀空顯示信號(hào)；Q[7..0]為輸出數(shù)據(jù)。
帶FIFO的功能仿真圖如圖6。
采用EP1C12Q240C8芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)高速A/D轉(zhuǎn)換器ADC08200的實(shí)時(shí)采樣控制，充分利用了FPGA器件的高速高效優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)方法使用CPU或單片機(jī)控制速度慢的問題，發(fā)揮了ADC08200高速采樣的性能（最高采樣頻率達(dá) 200 MS/s），實(shí)現(xiàn)簡單，可以廣泛用于實(shí)際電路的控制系統(tǒng)。該電路的數(shù)據(jù)處理可以由CPU或單片機(jī)進(jìn)行，由SoPC技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理效果更好。
參與文獻(xiàn)
[1] National Semiconductor.ADC08200 8-Bit，20 Msps to 200 Msps，Low Power A/D Converter with Internal Sample-
and-Hold[P].2008，2.
[2] 喬廬峰，王志功.VHDL數(shù)字電路設(shè)計(jì)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[3] 鄭亞民，董曉舟.可編程邏輯器件開發(fā)軟件QuartusⅡ[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.
[4] 潘松，黃繼業(yè)．EDA技術(shù)實(shí)用教程(第2版)[M]．北京：科學(xué)出版社，2005.
[5] 昊繼華，王誠．AheraFPGA/CPLD設(shè)計(jì)(高級(jí)篇)[M]．北京：人民郵電出版社，2007．
[6] 潘松，王國棟．VHDL實(shí)用教程[M]．成都：電子科技大學(xué)出版社，1999．