基于FPGA的A/D转换采样控制模块的设计

摘要：本文采用FPGA器件EP1C6T144C8芯片代替单片机控制A/D转换芯片ADC0809进行采样控制，整个设计用VHDL语言描述，在QuartusⅡ平台下进行软件编程实现正确的A/D转换的工作时序控制过程，并将采样数据从二进制转化成BCD码。本设计可用于高速应用领域和实时监控方面。
关键词：FPGA；A/D转换；VHDL；采样控制；BCD码

在以往的A/D器件采样控制设计中，多数是以单片机或CPU为控制核心，虽然编程简单，控制灵活，但缺点是控制周期长，速度慢。单片机的速度极大的限制了A/D高速性能的利用，而FPGA的时钟频率可高达100MHz以上。本设计以高集成度的芯片为核心，进行时序控制、码制变换。具有开发周期短，灵活性强，通用能力好，易于开发、扩展等优点。既降低了设计难度，又加快了产品的开发周期。

1 系统设计原理

本设计采用FPGA芯片EP1C6T144C8来对ADC0809进行采样控制，并对数据进行处理，可将数据用LED显示出来。如图1所示，芯片EP1C6T144C8在对ADC0809控制时产生START转换启动信号，ALE地址锁存允许信号（高电平有效），在工作过程中，FPGA不断读入转换结束信号EOC判断AD0809转换是否结束。当EOC发出一个正脉冲时，表示A/D转换结束，此时开启输出允许OE，打开ADC0809的三态缓冲锁存器将转换好的8位二进制数输入FPGA芯片中。通过查找表的方法将8位二进制数转换成12位BCD码。

                                        图1   控制原理图

2  FPGA模块设计与仿真

    本设计采用QuartusⅡ软件平台下的VHDL硬件描述语言进行软件编程。主要分为两个部分：ADC0809的工作状态模块和二进制到BCD码转换模块。

2.1    ADC0809工作状态模块

采用双进程有限状态机的方法来实现。设计st0～st7八个工作状态。st0：初始化。st1：产生ALE的上升沿将模拟通道IN1的地址锁存。st2：产生START信号上升沿，启动A/D转换。st3：START信号延时一个脉冲。st4：A/D转换中，等待。st5：转换结束，开启输出允许信号OE。st6：OE延时一个脉冲，并开启数据锁存信号LOCK。st7：延时一个时钟，输出数据。状态转换方式见下面程序段。

case current_state is

    when st0=> ale<='0';start<='0';oe<='0';lock<='0'; next_state<=st1;

                   ---初始态ST0向下一状态ST1转换,0809采样控制信号初始化；

    when st1=> ale<='1';start<='0';oe<='0';lock<='0'; next_state<=st2;

                   ---由ALE的上升沿将通道地址'001'锁入0809的地址寄存器；

    when st2=> ale<='1';start<='1';oe<='0';lock<='0'; next_state<=st3;  ---启动采样信号；

    when st3=> ale<='0';start<='1';oe<='0';lock<='0';

      if(eoc='0')  then  next_state<=st4; ---转换即将结束,转换至下一状态；

        else next_state<=st3;   ---转换未结束,继续在状态ST3中等待；

      end if;

    when st4=> ale<='0';start<='0';oe<='0';lock<='0';

      if(eoc='1')  then  next_state<=st5; ---EOC由0恢复1,转换结束；

        else next_state<=st4; ---转换未结束,等待；

      end if;

    when st5=> ale<='0';start<='0';oe<='1';lock<='0'; next_state<=st6;  --开启输出允许OE；

    when st6=> ale<='0';start<='0';oe<='1';lock<='1'; next_state<=st7;  --开启数据锁存LOCK；

    when st7=> ale<='0';start<='0';oe<='0';lock<='1'; next_state<=st0;

    when others=>next_state<=st0;  ---其它状态返回ST0；

  end case;

2.2  二进制到BCD码转换模块

本设计模拟量输入范围为0～+5V,用8位二进制数表示其精度为0.02。将ADC0809输出的二进制数划分为高四位与低四位，通过查表分别算出电压值并写出对应的12位BCD码, 将得到的高四位电压与低四位电压值用12位BCD码加法，把12位BCD码分为三组，每组四位，相加从最低4位开始，且每4位相加结果超过10时需作进位动作，最终得到BCD码分别对应高、中、低三位输出显示。[!--empirenews.page--]

2.3  A/D采样控制与数据转换的部分程序及仿真

采用QuartusⅡ软件平台下的VHDL语言编程实现。

library ieee;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity ad_hgq is

  port( d :in std_logic_vector(7 downto 0);---AD输入；

        clk,eoc :in std_logic; ---eoc:转换结束状态信号； oe : buffer std_logic;

        addr :out std_logic_vector(2 downto 0); ---oe:输出允许,addr:选通地址；

        ale,start:out std_logic; ---ale:允许地址锁存；

        q :buffer std_logic_vector(7 downto 0)); ---转换数据输出显示；       

end ad_hgq;

architecture behaviour of ad_hgq is

  type state is (st0,st1,st2,st3,st4,st5,st6,st7); ---以枚举类型定义各状态子类型；

  signal current_state,next_state :state:=st0;   signal regl :std_logic_vector(7 downto 0);

  signal addrx :std_logic_vector(2 downto 0):="000";

  signal lock :std_logic;           ---转换后数据输出锁存时钟信号；

  signal hex :std_logic_vector(7 downto 0);

begin

process(clk)

  begin

    if(clk'event and clk='1')  then  current_state<=next_state;

    end if;     ---在时钟上升沿,转换至下一状态；

end process ; ---由信号current_state将当前状态带出进程,进入下一进程；

process(lock)

  begin

    if lock='1'and lock'event  then  regl<=d;

    end if; --在lock上升沿,将转换好的数据锁存入8位锁存器中；

end process;

process(clk)

  begin

    if clk'event and clk='1'  then

      if current_state=st0  then  addrx<=addrx+1; ---进入下一地址通道；

      end if;

    end if;

    addr<=addrx;

end process;

q<=regl; ---数据输出；

process(clk)

  begin

    if( clk'event and clk ='1')  then  if oe='1'  then  hex<=q; ---将数据送给hex；

      end if;

    end if;

end process;  

end behaviour;

图2显示的是A/D采样控制并将所采的数据转换为BCD码的仿真结果。图中Value为所采的电压结果值。

图2   采样控制模块仿真

3  结束语

采用EP1C6T144C8芯片实现对A/D转换器的采样控制，充分利用了FPGA的高速度和高可靠性,从而解决了传统中用单片机控制时速度慢的问题。FPGA具有灵活的编程方式，简单方便的编程环境，易学易用，大大提高工作效率，缩短研制周期。本设计可用于高速应用领域和实时监控方面。