FPGA在數(shù)據(jù)采集與傳輸中的應用

EDA技術是以高級語言描述、系統(tǒng)級仿真和綜合技術為特征的第三代電路CAD技術。在我們研制的數(shù)據(jù)采集板上使用了該先進技術，采集板主要完成如下功能:A/D轉換、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)傳輸。該板使用一片ALTERA公司的FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片F(xiàn)LEX10K，完成了對A/D轉換的控制，數(shù)據(jù)緩存，以及采集板與計算機的數(shù)據(jù)異步傳輸(UART)功能。如果用傳統(tǒng)的設計方法完成上述功能至少需要使用MCU(微控制單元)、RAM、RS232的接口芯片等多塊芯片。正是使用了先進的EDA技術使系統(tǒng)更緊湊、更可靠。本文將簡要介紹FPGA的結構，開發(fā)方法，以及在我們的采集板中的應用。

1 FLEX10K芯片的結構與工作原理

大部分的FPGA是采用基于SRAM的查找表邏輯形成結構的，用SRAM來形成邏輯函數(shù)發(fā)生器，我們的數(shù)據(jù)采集板中的FLEX10K芯片主要由嵌入式陣列塊、邏輯陣列塊、快速通道和I/O單元四部分構成。其中邏輯陣列塊由邏輯單元組成，邏輯單元又是由查找表與附加電路組成。邏輯陣列塊是形成邏輯功能的基礎，多個邏輯陣列塊可以級聯(lián)構成更大的單元?？焖偻ǖ涝谶壿媶卧cI/O單元間起連接作用。嵌入式陣列塊是在輸入、輸出口帶有寄存器的RAM塊，可以提供存儲器的功能。

2 開發(fā)系統(tǒng)與語言

我們用的是ALTERA公司的器件，所以開發(fā)軟件平臺使用MAXPLUSII，開發(fā)硬件平臺使用GW48系統(tǒng)，HDL語言我們選擇了Verilog，verilog語言一般用于硅片邏輯功能設計。

3 FPGA在采集板中的功能劃分

采集板數(shù)據(jù)采集模塊由A/D轉換芯片ADC0809來實現(xiàn)。我們利用FLEX10K芯片的內(nèi)部邏輯陣列塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制器ADCINT;利用其內(nèi)部的嵌入式陣列塊形成一個先進先出的存儲器FIFO;利用快速通道和I/O單元實現(xiàn)向主機傳送數(shù)據(jù)的通用異步收發(fā)器UART。其系統(tǒng)框圖如圖1:

圖1 采集板系統(tǒng)框圖

4 采集控制器和存儲器功能的實現(xiàn)

4.1 采集控制器的實現(xiàn)

A/D轉換器件ADC0809為單極性輸入，8位轉換逐次逼近A/D轉換器，可對0～5V的INT0～INT7的8路模擬電壓信號分時進行轉換，當時鐘頻率為500 KHz，A/D完成一次轉換的時間為130us。CBA作為8路通道選擇地址，ALE是地址鎖存允許信號，EOC為狀態(tài)結束標志，START為轉換啟動信號，上升沿有效;OE為數(shù)據(jù)輸出允許端，〔D0…D7〕為數(shù)據(jù)輸出端。

可用硬件描述語言按有限狀態(tài)機模式編寫一個模塊實現(xiàn)控制器的定制。其中:ST0初始態(tài)，ST1發(fā)送地址鎖存信號ALE，ST2發(fā)送啟動轉換信號START，ST3檢測轉換結束信號EOC的下降沿，ST4檢測EOC的上升沿，ST5發(fā)送輸出使能信號OE，ST6發(fā)送輸出鎖存信號LOCK。

控制器的源程序如下:

4.2 FIFO存儲器的實現(xiàn)

利用FLEX10K內(nèi)部固有的存儲模塊，通過MAXPLUSII的兆功能塊定制一個帶20字節(jié)緩存的FIFO存儲器，因為先入先出存儲器不需要尋址，可以節(jié)省時鐘周期，適合動態(tài)采集數(shù)據(jù).存儲器和控制器組成的控制存儲電路AD_FIFO如下圖2:

圖2 控制存儲電路AD_FIFO電路圖

圖中ADCINT就是采集控制模塊，F(xiàn)IFO2是先進先出存儲模塊。AD_FIFO的工作分兩個階段，即采樣階段和數(shù)據(jù)讀取階段，在采樣階段WR_EN為高電平，CLK使能，ADCINT開始工作，讀請求被禁止，當某一采樣周期結束，ADCINT發(fā)LOCK信號，把出現(xiàn)在D[7.0]的采樣數(shù)據(jù)存入FIFO2中。

在完成采樣后進入讀取階段，在讀取階段，WR_EN為低電平，F(xiàn)IFO2的讀時鐘CLOCK由RD_EN控制，在每個上升沿，F(xiàn)IFO2的數(shù)據(jù)將逐一出現(xiàn)在端口Q[7.0]上。

應當注意的是，讀時鐘與采樣時鐘的區(qū)別:采樣時鐘是ADCINT的LOCK信號形成的，要與A/D轉換速度匹配;讀時鐘是由外部時鐘發(fā)生器的RD_EN形成的，同時讀時鐘應該與后面的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈势ヅ洹?/p>

5 FPGA中UART功能的集成

UART是基于RS232協(xié)議的通用異步收發(fā)方式，有免費的軟ip core經(jīng)過裁剪功能后，再經(jīng)過MAXPLUSII編譯和綜合到我們的FPGA中。在我們的采集板中的UART只集成了發(fā)送器的功能，確定發(fā)送方式為:波特率為9600bps;幀格式為，一個起始位、8個數(shù)據(jù)位、一個停止位。我們用16倍的發(fā)送速率做定時信號，還需要做一個16倍波特率發(fā)生器。

6 FPGA的整體功能配合和時序分配的問題

FLEX10K芯片中功能模塊的連接情況如下圖3:

圖3 FLEX10K芯片內(nèi)功能模塊圖

圖中的CLK_PULSE單元用于為整個系統(tǒng)功能提供時鐘信號，共需4種時鐘信號:CLK_WRE采樣周期，CLK_RDE采樣數(shù)據(jù)的讀周期，CLK_WRN數(shù)據(jù)的傳輸周期，BCLK為16倍的波特率。

整個時序配合情況如下:CLK_WRE根據(jù)ADC0809的轉換速率130 US和設定的緩存區(qū)大小決定的采樣時間;CLK_RDE要根據(jù)緩存的數(shù)據(jù)以及UART的傳輸速率，決定的數(shù)據(jù)的讀時間;CLK_WRN要根據(jù)每幀的位數(shù)和發(fā)送波特率決定的傳輸時間;BCLK是波特率的16倍。在本系統(tǒng)中時序配合非常重要，它決定了數(shù)據(jù)傳輸是否能可靠實現(xiàn)，因此我們除了要準確計算各個時鐘周期外，還利用MAXPLUSII的時序仿真功能，分析整個系統(tǒng)功能是否正確。

在時序仿真正確的情況下，在我們的數(shù)據(jù)采集板上做了實際驗證，實際驗證中發(fā)現(xiàn)接受的數(shù)據(jù)有誤碼。經(jīng)分析后，發(fā)現(xiàn)是在傳輸中沒有考慮芯片延時造成的，經(jīng)過對時序的仔細調(diào)整后，最終解決了傳輸中的誤碼問題。

[1] FLEX 10K Embedded Programmable Logic Device Family[EB/CD] .http://www.altera.com/literature/ds/archives/dsf10k.pdf.January 2003，Ver.4.2.

[2] Donald E.Thomas，Philip R.Moorby.The Verilog Hardware Description Language[M] .Fifth Edition.New York:Kluwer Academic Publishers，2002.