1．引言
在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，AD芯片的工作速度通常是很高的，可以達到幾兆甚至幾十兆，而微控制器MCU的工作速度相對較低，并且其往往具有多個任務(wù)，所以不能采用AD轉(zhuǎn)換一次MCU讀取一次數(shù)據(jù)的工作方式。因此，需要在AD芯片與MCU之間加入數(shù)據(jù)緩沖器，以便臨時存儲AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)量到達一定深度后，再由MCU一并取走。數(shù)據(jù)緩沖器可以有多種選擇，例如RAM、SRAM等等，而FIFO（First In First Out）存儲器憑借其操作簡單、可靠性好等特點，被廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，成為了連接MCU與AD芯片的橋梁。
為了使MCU、AD芯片以及高速FIFO存儲器能夠協(xié)調(diào)工作，就需要設(shè)計好這三者之間的接口電路。本文正是針對這個問題，選用CPLD實現(xiàn)了三者之間的接口電路。
2．芯片介紹
2．1 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8323
ADS8323是TI公司近年推出的一款高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其主要特點如下：
?。?）高速高精度：16位的AD芯片，其最高采樣速率可達500kSPS；
（2）低功耗：當(dāng)處于500kSPS的采樣率時，其功耗也只有85mW；
?。?）并行接口設(shè)計：它可以一次性將16位采樣結(jié)果輸出，也可8位分兩次輸出。
ADS8323需要外接時鐘信號，時鐘頻率范圍從25kHZ（1.25kSPS）到10MHZ（500kSPS），其內(nèi)部的所有動作均與時鐘信號同步。工作過程如下：將/CONVST置成低，即可啟動轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換過程中，BUSY始終為高；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果被鎖存在輸出寄存器之后，BUSY變低，此時便可通過將/RD和/CS信號置低讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。其時序如圖1所示。
2．2 高速FIFO——CY7C4231
FIFO芯片是一種具有存儲功能的邏輯芯片，它具有兩個特點：數(shù)據(jù)進出有序，輸出輸入口獨立。其內(nèi)部的讀指針和寫指針按照先進先出的原則實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存入和讀取。
CY7C4231是CYPRESS公司推出了一款高速FIFO芯片。芯片的存儲空間是2K×9 bit，讀寫時間最小是10ns。其主要的控制管腳功能如表1所示。
3．接口電路的CPLD實現(xiàn)
通過上面的介紹，可以大致歸納出接口電路需要實現(xiàn)的主要功能如下：
（1）將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存入FIFO，包括AD芯片的轉(zhuǎn)換過程控制和FIFO的寫入過程控制；
?。?）MCU讀取FIFO中數(shù)據(jù)，包括FIFO的狀態(tài)查詢或著中斷請求、FIFO的讀出過程控制。
CPLD由于其速度快、體積小、功耗低、編程靈活、可反復(fù)修改邏輯等特點，受到了越來越多的關(guān)注。而利用EDA工具進行設(shè)計、綜合和驗證，加速了設(shè)計過程，降低了開發(fā)風(fēng)險，縮短了開發(fā)周期，提高了效率。本文采用了Altera公司的QuartusII作為設(shè)計工具，以EPM7128系列的CPLD芯片實現(xiàn)了上述的接口電路。其總體設(shè)計如圖2所示。
其中，地址譯碼模塊負(fù)責(zé)對MCU的地址總線進行譯碼，產(chǎn)生地址選通信號；控制信號模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生一些總的控制信號，如系統(tǒng)啟動信號CtrlBegin、整個電路的復(fù)位信號reset等等；FIFO狀態(tài)查詢模塊負(fù)責(zé)向MCU提供當(dāng)前FIFO的狀態(tài)特征，以便查詢，如半滿、半空、全滿、全空等狀態(tài)；中斷申請模塊可根據(jù)FIFO的狀態(tài)自動產(chǎn)生中斷請求信號。AD轉(zhuǎn)換控制與FIFO寫控制模塊、FIFO讀控制模塊是整個接口電路的核心單元，下面分別加以介紹。
3．1 AD轉(zhuǎn)換控制與FIFO寫控制模塊
根據(jù)ADS8323與FIFO的使用說明，該模塊的工作過程如下：在系統(tǒng)啟動信號CtrlBegin有效之后，啟動AD轉(zhuǎn)換信號（/CONVST置低）；在轉(zhuǎn)換過程中，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（由CPLD內(nèi)部實現(xiàn)的一個16Bit的存儲器）中的前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入FIFO中，具體來說，首先使低8位數(shù)據(jù)使能信號LowOE置高，低8位數(shù)據(jù)被放到數(shù)據(jù)總線上，然后產(chǎn)生低8位FIFO的寫時鐘信號FIFO1_WCLK，這樣轉(zhuǎn)換結(jié)果的低8位就被存入低8位FIFO中，按同樣的過程再把轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位存入高8位FIFO中；在轉(zhuǎn)換結(jié)束后（BUSY為低），將AD的讀使能信號/RD置低，于是本次AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果被寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；完成一次操作之后，再啟動AD轉(zhuǎn)換信號，開始下一次轉(zhuǎn)換過程，周而復(fù)始，直到系統(tǒng)啟動信號CtrlBegin無效。
該模塊可由狀態(tài)機加以實現(xiàn)。在設(shè)計中，我們采用Verilog HDL語言編寫，其仿真波形如圖3所示。
3．2 FIFO讀控制模塊
當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達到一定深度之后，MCU就需要通過該模塊向FIFO讀取數(shù)據(jù)。該模塊主要產(chǎn)生四個信號，即低8位FIFO的RCLK和OE（定義為RCLK1和OE1）、高8位FIFO的RCLK和OE（定義為RCLK2和OE2）。以往的設(shè)計方案是采用兩個獨立的讀地址分別作為RCLK和OE，這種方式雖然操作簡單，但需要兩個讀周期才能完成一次讀操作，這樣大大降低了工作效率。本文采用一個讀地址作為OE信號，再利用對OE的延時信號作為RCLK信號，這樣只要RCLK信號的產(chǎn)生介于兩次OE之間，就能實現(xiàn)用一個讀周期完成一次讀操作，這樣便大大提高了MCU的工作效率。延時模塊由Verilog HDL語言實現(xiàn)，其代碼如下：
仿真波形如圖4所示。
4．結(jié)束語
本文采用CPLD實現(xiàn)了AD芯片、高速FIFO存儲器以及MCU之間的接口電路。實驗表明，該電路工作穩(wěn)定可靠，且通用性強，易于移植到其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。同時，QuartusII等嵌入式技術(shù)的使用，簡化了開發(fā)流程，提高了設(shè)計效率。目前，該電路已成功應(yīng)用于某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
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本文創(chuàng)新點
（1）以CPLD作為邏輯控制核心單元，實現(xiàn)AD芯片與高速FIFO之間的接口電路。
?。?）該接口電路具有通用性，只要稍作修改，就能移植到其它AD芯片與高速FIFO的接口設(shè)計中。因此，可以廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
?。?）采用全新的開發(fā)工具——QuartusII作為開發(fā)環(huán)境，簡化了開發(fā)流程。