摘? 要: CPLD在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用。介紹了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體框架,分析了其中的通用部分;ALTERA公司推出的MAX7000系列產品的特點及其開發(fā)軟件MAX+PLUSII;根據(jù)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要,以VHDL語言的形式介紹了由MAX7000系列產品構成的地址發(fā)生器、數(shù)據(jù)總線控制器" title="總線控制器">總線控制器和ISA總線接口,指出了在設計過程中要注意的問題。
關鍵詞: CPLD? 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)? ISA總線接口
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CPLD是復雜的PLD，專指那些集成規(guī)模大于1000門以上的可編程邏輯器件。它由與陣列、或陣列、輸入緩沖電路、輸出宏單元組成,具有門電路集成度高、可配置為多種輸入輸出形式、多時鐘驅動、內含ROM或FLASH(部分支持在系統(tǒng)編程)、可加密、低電壓、低功耗以及支持混合編程技術等突出特點。而且CPLD的邏輯單元功能強大,一般的邏輯在單元內均可實現(xiàn),因而其互連關系簡單,電路的延時就是單元本身和集總總線的延時(通常在數(shù)納秒至十數(shù)納秒),并且可以預測。所以CPLD比較適合于邏輯復雜、輸入變量多但對觸發(fā)器的需求量相對較少的邏輯型系統(tǒng)。
MAX7000系列產品與高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求相符,十分適合于高速設計。由MAX7000系列CPLD設計的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)應用在電力系統(tǒng)某精確故障定位系統(tǒng)中。
1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結構
對于一般的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言,除了采用高速的A/D" title="A/D">A/D轉換器、高速存儲器等高速器件之外,還要解決如何高速尋址、如何控制總線邏輯、如何進行高速存儲以及如何方便地與PC機交換數(shù)據(jù)等問題。這些問題都是設計一個高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所要共同面對的問題。兼顧這些共性問題,筆者設計了一套以精確故障定位為目的的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
該系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。在沒有故障發(fā)生的時候,輸入的模擬量通過高速AD芯片AD9225(其轉換速率可達到25MSPS，分辨率為12位)轉換成數(shù)字量,然后通過CPLD構成的數(shù)據(jù)總線控制器,以高4位和低8位的形式分別存儲在兩片橫向并聯(lián)的緩沖RAM 628512(存儲時間為70ns)中。存儲地址由CPLD構成的地址發(fā)生器產生,地址發(fā)生器產生的地址范圍可由存儲器的容量決定。地址產生器循環(huán)計數(shù),數(shù)據(jù)循環(huán)存儲。此間的運行完全不需要CPU控制,系統(tǒng)硬件可自動完成高速數(shù)據(jù)采集,使硬件的高速性能得到充分運用。CPU2采用AD公司的ADuC812，它本身就是全集成的高性能12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),內部集成了1個12位的ADC。當其檢測到輸入的模擬量發(fā)生了突變時,再經(jīng)過預定的持續(xù)采集時間后,給出觸發(fā)信號到數(shù)據(jù)總線控制器和地址總線控制器,由CPU2取得數(shù)據(jù)總線和地址總線控制權,然后通過雙口" title="雙口">雙口RAM2以及CPLD構成的ISA總線接口,將緩沖RAM 628512中的數(shù)據(jù)傳入PC機。再聯(lián)合由GPS、CPU1和雙口RAM1構成的精確授時系統(tǒng),就可用于精確故障定位或故障錄波了。
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2 MAX7000系列CPLD及其開發(fā)平臺介紹
由于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特殊要求,在眾多的CPLD器件中,選擇了ALTERA公司的MAX系列器件。MAX系列的高性能和高密度是基于它先進的MAX(Multiple Array Matrix——多重陣列矩陣)架構,因此為高速應用提供了非常高的性價比。MAX7000系列還提供了業(yè)界速度最快的可編程邏輯解決方案。它基于CMOS EEPROM工藝,傳播延遲最小為3.5ns,可以實現(xiàn)速度高于200MHz的計數(shù)器,并且為高密度的器件提供了非常寬的選擇余地,十分適合高速設計時應用。該公司的MAX+plusII軟件是一款易于使用的開發(fā)工具,其界面友好,集成化程度高,兼容工業(yè)標準,支持FLEXMAXACEX 1K等系列產品。并且為大學提供了學生版軟件,在功能上與商業(yè)版類似,僅在可使用的芯片上受限制。由于MAX7000系列的這些優(yōu)點,以下的設計都基于MAX7000系列產品。
3 CPLD在高速尋址中的應用
一般的數(shù)據(jù)采集均需由CPU將A/D轉換的結果讀入,然后再轉存到片外的存儲器中,這樣至少需要4個機器周期。如果按照一般一個機器周期為1μs,那么最高采樣率只能達到250kHz,絕難滿足高速采樣的需要。在本系統(tǒng)中,直接將采樣數(shù)據(jù)存到高速緩沖RAM中,而存儲器尋址則采用ALTERA公司的EPM7032LC44-6構成的地址發(fā)生器來完成。寫信號可采用A/D轉換的時鐘信號,但需經(jīng)過一系列分頻及邏輯組合,也可另由電路產生或放在地址發(fā)生器中。EPM7032LC44-6構成地址發(fā)生器的基本原理是采用5片級聯(lián)的74161組成20位的同步計數(shù)器,第20位接在高速緩沖RAM的片選線上,用來切換緩沖存儲器組。用CPU2的P1.7控制計數(shù)允許端,異步清零,則20位地址線輸出保持同步。其具體的實現(xiàn)可以采用圖形編輯輸入或者文本編輯輸入的方法。下面給出其VHDL語言程序。
LIBRARY ieee；
USE ieee.std_logic_1164.ALL；
USE ieee.std_logic_unsigned.ALL；
ENTITY untitle4 IS
?? PORT
?? ( ci??? ? ：IN??? std_logic；
???? ????? clk? ：IN??? std_logic；
??? ??? ??? nreset ：??IN??? std_logic；
??? ???? ?? addbus ：? buffer?? std_logic_vector(19 DOWNto 0)
)；
END untitle4；
ARCHITECTURE behave OF untitle4 IS
? BEGIN??
??? PROCESS(clk，nreset)
?????? BEGIN
????????? IF(nreset=＇0＇)THEN
?????????? addbus<=″00000000000000000000″；
???????????? ELSIF(rising_edge(clk))THEN
?????????????? IF(ci=＇1＇) THEN
?????????????? IF(addbus=″11111111111111111111″)then
??????????????????? addbus<=″00000000000000000000″；
?????????????? ELSE
???????????????????? addbus<=addbus+1；
?????????????? END IF；
??????????? END IF；---end if ci=1
???????? END IF；---end if reset
??? END PROCESS；
END behave；
其仿真結果如圖2所示。
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4 CPLD構成數(shù)據(jù)總線控制器
在這個高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,為了提高數(shù)據(jù)傳輸和尋址的速度,在正常采樣期間,其數(shù)據(jù)總線和地址總線并不需要CPU控制,數(shù)據(jù)存儲是由系統(tǒng)硬件自動完成的。但當CPU2監(jiān)測到輸入模擬量的突變時,再經(jīng)過預定的一段持續(xù)采樣時間后,就會發(fā)出控制信息給地址發(fā)生器和數(shù)據(jù)總線控制器,停止繼續(xù)存儲采樣數(shù)據(jù)和自動產生地址,而由CPU2取得總線的控制權,對處在高速緩沖RAM中的故障前后數(shù)據(jù)進行操作。為避免總線沖突,就需要一塊數(shù)據(jù)總線的控制器處理好系統(tǒng)總線和局部總線的關系。
EPM7064可以很好地解決這個問題。在EPM7064的內部,用三態(tài)門將CPU2的讀寫控制線、8根數(shù)據(jù)總線以及AD9225的12根數(shù)據(jù)線及一根溢出線與控制高速緩沖RAM的讀寫控制線和數(shù)據(jù)線隔離開來,由CPU2的P1.7作為CPU2或高速A/D控制總線的控制信號線,這樣就能方便地實現(xiàn)緩沖RAM數(shù)據(jù)線訪問控制權的切換。考慮篇幅,不再詳細給出實現(xiàn)程序。地址總線控制邏輯實現(xiàn)方法類似,不再介紹。
5 CPLD構成的ISA總線接口
在PC系列機中,I/O" title="I/O">I/O空間是獨立的,共有1KB(地址編號為000H~3FFH)。由于I/O接口一部分分布在主機母板上,另一部分分布在擴展槽上,所以I/O的1024個口地址也分成兩個部分,其中前512個由母板上的接口控制器使用,后512個供擴展槽內的接口控制卡使用。而且由于后512個地址中的一部分已經(jīng)被配置成系統(tǒng)資源的接口,所以真正能被用戶設計開發(fā)的I/O端口為數(shù)不多,而且不連續(xù)。這樣就不能采用常規(guī)的用PC機提供的地址總線來尋址雙口RAM的方法,因為這種方法只能尋址其中為數(shù)不多而且不連續(xù)的一些單元。所以這是一個難點。為此,采用用PC機的數(shù)據(jù)線來尋址雙口RAM的方式,只需占用三個I/O端口,就能尋址整個4K的RAM區(qū)。
ISA總線接口電路邏輯框圖如圖3所示。
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采用了ISA插槽中的8位數(shù)據(jù)線、10位地址線、讀寫控制線IOW和IOR以及電源線,并假設使用390H、391H、392H三個端口。當PC機要訪問某一地址單元時,首先通過390H端口將低8位地址送到數(shù)據(jù)總線上。此時由PC-AB送出的390H信號和IOW信號經(jīng)解碼電路輸出一個鎖存脈沖到鎖存器(L)，將此低8位地址鎖存;然后通過391H端口將高4位地址送到數(shù)據(jù)總線上,此時由PC-AB送出的391H信號和IOW信號經(jīng)解碼電路輸出一個鎖存脈沖到鎖存器(H)，將此高4位地址鎖存;最后通過392H端口進行讀寫,只要PC-AB上出現(xiàn)392H信號,解碼電路就輸出一個低電平到雙口RAM的/CS，再根據(jù)相應的讀寫控制信號就能進行讀寫操作。
用ALTERA公司的EPM7064SLC84-5實現(xiàn)這一接口的VHDL文件如下:
PORT
(PCDB： INOUT ??????? std_logic_vector(7 downto 0)；
??? ?????? PCAB： IN???????std_logic_vector(9 downto 0)；
??? ?????? PCRD： IN???????std_logic；
??? ?????? PCWR： IN??? ?? std_logic；
?????????? RAMDB：INOUT????std_logic_vector(7 downto 0)；
???????????RAMABL：OUT?????std_logic_vector(7 downto 0)；
???????????RAMABH：OUT?????std_logic_vector(3 downto 0)；
??? ?????? RAMCS：OUT? ??? std_logic；
???????????RAMWR：OUT????? std_logic；
??? ?????? RAMRD：OUT????? std_logic
??? )；
END isa1；
ARCHITECTURE behave OF isa1 IS
BEGIN
?????????? RAMDB<=PCDB WHEN (PCWR=＇0＇) ELSE (OTHERS=>＇Z＇)；
?????????? PCDB<=RAMDB WHEN (PCRD=＇0＇) ELSE (OTHERS=>＇Z＇)；
?????????? RAMABL<=PCDB WHEN (PCAB=″1110010000″ AND PCWR=＇0＇) ELSE (OTHERS=>＇Z＇)；
?????????? RAMABH<=PCDB(3 DOWNTO 0) WHEN (PCAB=″1110010001″ AND PCWR=＇0＇) ELSE (OTHERS=>＇Z＇)；
?????????? RAMCS<=＇0＇ when (PCAB=″1110010010″ ) ELSE ＇1＇；
?????????? RAMWR<=PCWR；
?????????? RAMRD<=PCRD；
END BEHAVE；
仿真結果表明此電路設計完全可以實現(xiàn)上述功能。PC機使用端口392H讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)時的仿真圖如圖4所示。
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????CPLD是現(xiàn)代電子工程領域的一門新技術,它提供了基于計算機和信息技術的電路系統(tǒng)設計方法,提高了設計電路的集成度和可靠性。筆者在將ALTERA公司推出的MAX7000系列產品應用于高速數(shù)據(jù)采集方面做了嘗試,具體使用EPM7032和EPM7064設計了地址發(fā)生器、數(shù)據(jù)總線控制器和ISA總線的接口,目前已經(jīng)將其應用在電力系統(tǒng)某精確故障定位系統(tǒng)中。
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參考文獻
1 黃正謹,徐 堅,章小麗.CPLD系統(tǒng)設計技術入門與應用. 北京:電子工業(yè)出版社，2002
2 徐志軍，徐光輝. CPLD/FPGA的開發(fā)與應用. 北京:電子工業(yè)出版社,2002