多路数据采集系统中FIFo的设计

摘 要：首先介绍了多路数据采集系统的总体设计、FIFO芯片IDT7202。然后分别分析了FIFO与CPLD、AD接口的设计方法。由16位模数转换芯片AD976完成模拟量至位数字量的转换，由ATERA公司的可编程逻辑器件EPM7256A完成对数据的缓存和传输的各种时序控制以及开关量采样时序、路数判别。采用FIFO器件作为高速A／D与DSP处理器间的数据缓冲，有效地提高了处理器的工作效率。
关键词：IDT7202；CPLD；FIFO；电路设计

    随着数字信号处理芯片DSP技术的发展，信号处理的速度越来越快，容量越来越大，为了配合不同时钟域之间的数据传输，必须使用FIFO来达到数据匹配的目的，从而提高系统性能。

1 系统的总体设计
    系统主要由信号采集电路AD，FIFO，CPLD和TI公司数字信号处理芯片TMS320C25409组成。可以采集32路模拟量，64路开关量。接收到的模拟信号首先要通过运放放大、采样、然后通过模拟电子开关、再实现A／D转换，转换的数据经FIFO送至DSP处理，CPLD负责控制数据采集、A／D转换和数据读写的时序。系统结构框图如图1所示。

    系统中使用了2片高速A／D转换芯片AD976，AD976是AD公司生产的模数转换器，它是采用电荷重分布技术的逐次逼近型模数转换器，FIFO选用了IDT公司的IDT7202。它具有输入和输出两套数据线，独立的读／写地址指针，在读／写脉冲的控制下顺序地从双口FIFO读／写数据，读／写地址指针均从第一个存储单元开始，直到最后一个存储单元，然后又回到第一个存储单元。系统采用了2片IDT7202将数据宽度扩展为16位，DO～D1为64路开关量数据；D2～D15为32路模拟量数据。在系统工作时，IDT7202内部的仲裁电路通过对读指针和写指针的比较，相应给出FIFO的空(EF)和满(FF)状态指示；CPLD可以根据所获得的FIFO状态标志控制FIFO的读／写时序，实现对FIFO的读／写操作。

2 FIFO芯片IDT7202的介绍
    FIFO(First In First Out)简单说就是指先进先出。作为一种新型大规模集成电路，FIFO芯片以其灵活、方便、高效的特性，逐渐在高速数据采集、高速数据处理、高速数据传输以及多机处理系统中得到越来越广泛的应用。IDT7202是一种高速、低功耗、双端口存储器，输入、输出有9位数据，芯片容量为lK×9 b，输入／输出端口由单独的时钟和使能信号控制，具有“空”、“满”、“半满”和“几乎空、几乎满”标志。IDT7202的9位输入／输出端口由单独的时钟和使能信号控制。输入端口由写使能信号(W)控制，当写使能W为低时，数据被连续写入FIFO存储器中。同样，输出端口由读使能信号(R)控制，而且有一个输出使能引脚(OE)。IDT7202还有一个复位端(RS)，当RS为低时，IDT7202的各个标志位全部回到原始状态。

3 FIFO与CPLD的接口设计
    ATERA公司的可编程逻辑器件支持多种I／O电平标准，包括3．3 V，2．5 V和1．8 v的LVTTL和LVCMOS电平。由于FIFO必须是5 V供电，所以CPLD将数据从FIFo读人内部存储器时，需要经过一个电平转换芯片。系统选用了SN74LVCl6245A具有三态输出的16位总线收发器，它支持8／16位数据的双向传输。
    在FIFO与CPLD数据通信接口设计中，CPLD主要输出控制时序到IDT7202的复位、写和读端口，实现A／D转换数据到FIFO的存储，并将数据从FIFO读入CPLD的内部存储器。一旦CPLD检测到两个AD976的“BUSY”信号都为高电平，且延时满足，CPLD就使FIFO的写信号“W”输出为低电平，允许向FIFlO中写入数据。同时检测FIFO的满标志信号FF。若该信号为低，则说明FIFO已经写满，此时，CPLD输出读时序给该FIFO，向FIFO中读数据，同时检测FIFO的空标志信号EF，若该信号为低，则说明FIFO中数据已经读空，不允许读数据，除非再有数据写入后。本系统中采用两片IDT7202，它们的复位、写和读端口分别联在一起，数据同时读写。数据DO～D8从第一片输出，D9～D15从第二片输出，D16，D17空的两位数据接地。DO～D1为64路开关量数据，64路开关量数据由8片8D锁存器74LS373锁存直接送至CPLD，开关量采样时序、路数判别由CPLD来实现。
    IDT7202的异步读写操作时序如图2所示，各参数说明见表1。

4 FIFO与AD976接口设计
    本系统最多可接32路模拟量，需使用两片AD976芯片，转换后的16位数据分别送入两个FIFO中。当两片AD976中的任意一片中的“BUSY”信号为低电平时，进行模数转换，只有当“BUSY”为高时，数据才有可能写入至FIFO中，但数据是否写入到FIFO中，由FIFO的写使能信号来决定，当CPLD发出写使能信号有效时，转换数据才能存储到FIFO中。A／D转换数据的输出和转换时钟有一定的相位差，在CPLD内部可通过延时或时钟管理器来满足建立时间和保持时间，保证数据不失码地传输到FIFO中。FIFO与AD976均采用5 V电源，故数据线直接相连即可，为了减小外界对数据线的干扰，在数据线之间串接一个100～200 Ω的小电阻。

5 结 语
    系统地介绍了一种多路数据采集系统中FIFO的设计方法。系统可以采集32路模拟量，64路开关量。系统具有抗干扰强、可靠性高、失码率低等优点。该系统可用于采集量比较多的设备中，已在电力故障监测装置中得到广泛的应用。