基于ＦＰＧＡ的多通道串行Ａ／Ｄ轉換器的控制器設計

摘 要：在低成本、多通道數據采集系統中，串行接口A/D轉換器得到了廣泛的應用，但是通道的輪換以及串行數據的傳輸會降低數據采集的速度和CPU的工作效率。以ADS7844為例介紹基于FPGA和VHDL語言的A/D控制器設計方法，并通過計算機時序仿真結果驗證了該控制器的正確性。該控制器具有輸入通道自動轉換、數據并行輸出等特點，提高了采集速度和CPU的工作效率。

關鍵詞：串行接口；A/D轉換；FPGA；ADS7844

中圖分類號：TP331文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)2005504

Design of Multi-channel Serial A/D Converter Controller Based on FPGA

ZHOU Zhaoyang1，XU Jianping1，XU Guoqing2

(1.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China;

2.Shenzhen Institute of Advanced Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenzhen，518067，China)

Abstract：Serial interface A/D converters are used extensively in low-cost multi-channel data collection system.But channel turning and serial transmission can reduce the speed of data collection and the work efficiency of CPU.In this paper，as a sample，a design method of ADS7844 A/D converter controller is described which based on FPGA and VHDL language.Then the simulation with computer is carried through and the result is verified.This A/D converter controller which can change channel automatically and output data in parallel speeds up the data collection and increases the work efficiency of CPU.

Keywords：serial interface;A/D converter;FPGA;ADS7844

1 引 言

隨著現代電子技術的應用和發展，越來越多的電子應用由模擬系統向數字系統轉變，而A/D轉換器為模擬系統和數字系統的界面，承擔著模擬信號轉變為數字信號的任務，在一些多路信號采集系統和實時數字信號處理系統中，A/D轉換的多路擴展、高精度、低成本、實時性顯得越來越重要。在一般信號采集系統中，由單片機或微控制器對高精度A/D轉換器進行控制，通常采用軟件模擬A/D轉換器時序的方法。因此增加了CPU的負擔，降低了CPU的工作效率^［1］，在多片A/D轉換器多通道擴展應用中，降低了信號采集的實時性。

現場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）是20世紀80年代中期在PAL，GAL等邏輯器件的基礎上發展起來的一種可編程邏輯器件，其特點是高集成度、高速和高可靠性，設計人員可以現場修改器件的邏輯功能^［2］。VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是目前通用的硬件描述語言之一，可用來描述一個數字電路的輸入、輸出以及相互間的行為與功能。

FPGA的高集成度和高速的特性，使之相對于單片機和微控制器，更適合用于對高速A/D器件的采樣控制。本文設計一種基于FPGA的高速串行輸入/輸出A/D轉換器的控制器，該控制器完成對ADS7844芯片的采樣控制，提高了采樣的實時性、減輕了主CPU的運行負擔。

2 ADS7844功能介紹

ADS7844是Burr_Brown公司推出的一種高性能、寬電壓、低功耗的12 b串行數模轉換器。它有8個模擬輸入端，可用軟件編程為8通道單端輸入A/D轉換器或4通道差分輸入A/D轉換器，其轉換率高達200 kHz，而線性誤差和差分誤差最大僅為±1 LSB。ADS7844在電源電壓為2.7~5 V之間均能正常工作，最大工作電流為1 mA，進入低功耗狀態后的耗電僅為3 μA。ADS7844通過6線串行接口與CPU進行通信，接口簡單方便。

2.1 ADS7844的引腳功能

CH0~CH7：模擬輸入端，當器件被設置為單端輸入時，這些引腳可分別與信號地COM構成8通道單端輸入A/D轉換器；當器件被設置為差分輸入時，利用CH0-CH1，CH2-CH3，CH4-CH5，CH6-CH7可構成4通道差分輸入A/D轉換器；

COM：信號地；

Vref：參考電壓輸入端，最大值為電源電壓；

CS：片選端、低電平有效、該腳為高電平時，其他數字接口呈三態；

Dclk：外部時鐘輸入端，在時鐘作用下，CPU將控制字寫入ADS7844，并將轉換結果從中讀出；

Din：串行數據輸入端，在片選有效時，控制字在Dclk上升沿被逐位鎖入ADS7844；

Dout：串行數據輸出端，在片選有效時，轉換結果在Dclk的下降沿開始被逐位從ADS7844移出；

BUSY：“忙”信號輸出端，在接收到控制字的第一位數據后變低，只有在轉換結束且片選有效時，該腳才輸出一個高脈沖；

SHDN：電源關閉端、低電平有效。當SHDN為低電平時，ADS7844進入低功耗狀態；

Vcc，GND：分別為電源端和數字地。

2.2 ADS7844的控制字及轉換時序

ADS7844的控制字如表1所述。

表1 ADS7844的控制字含義

bit7(MSB)bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0(LSB)

sA2A1A0--sgl/DIFPD1PD0

ADS7844的控制字共有8位，其中S是起始位，控制字的起始位總為“1”。A2~A0是通道選擇位，在單端輸入時分別對應8個通道，而對于差分輸入，000~011分別對應CH0-CH1，CH2-CH3，CH4-CH5，CH6-CH7，而100~111則分別對應CH0-CH1，CH1-CH0，CH3-CH2，CH5-CH4，CH7-CH6。Bit3沒有定義。SGL／DIF是模式控制位，該位為“1”時是單端輸入模式，為“0”時是差分輸入模式。PD1和PD0是電源關閉模式控制位，若為“00”，則表示ADS7844在不進行數據轉換時自動進入電源關閉模式，若為“11”，芯片則始終處于電源開啟模式。

ADS7844有多種轉換時序，基本時序如圖1所示。

圖1 ADS7844的基本時序

從圖1中可見，一個轉換周期需要24個時鐘周期，其中8個用于輸入控制字，16個用于讀取轉換結果。控制字的所有位在時鐘上升沿被鎖入芯片，轉換結果在時鐘的下降沿被逐位移出。所有移入和移出的數據都是高位在前、低位在后。需要說明的是，ADS7844是12位A／D轉換器，其轉換結果只有12位，故在移出12位結果后，還需送入4個時鐘來完成整個轉換過程，這4個多余的時鐘移出的數據為“0”，使用時不應作為轉換結果處理。

3 ADS7844控制器的設計

用FPGA設計的采樣控制器AD_CONTROLLER 與ADS7844的接口電路如圖2所示，基本時序如上所述。AD_CONTROLLER的輸入時鐘取12 MHz，經內部4分頻后輸出至ADS7844的CLK引腳。cs_all 為來自CPU的啟動信號，當其為低時AD_CONTROLLER開始工作。 addr［3..0］為對應的ADS7844的通道地址，data［15..0］為某地址所對應通道的A/D轉換結果，當某一通道轉換結束，oe信號由低電平變為高電平并持續1個周期。

圖2 ADS7844與采樣控制器的接口示意圖

AD_CONTROLLER主要由分頻模塊（fq），A/D轉換周期形成模塊（fq_cs）；A/D轉換器片選信號模塊（cs_pulse）；通道地址及控制字形成模塊(addr_1)；A/D轉換數據輸出模塊（from_ad）和控制字移位輸出模塊（to_ad）組成，其結構如圖3所示。

取FPGA工作頻率10 MHz， 經分頻器4分頻得2.5 MHz作為A/D轉換器的時鐘。分頻器通常用計數器實現，各VHDL教材上都已詳細講述，這里不再贅述。信號cs每隔28個clk1時鐘周期發出1個clk1周期的高電平脈沖并轉換1次模擬輸入通道，28個clk1周期中，A/D轉換器片選cs_ad信號占用4個周期，控制字的串行輸出（di）占用8個周期，ADS7844芯片由Din引腳接收到控制字后，在下一個周期的下降沿開始將A/D轉換后的數據串行輸出至Dout引腳，由from_ad模塊進行串/并轉換并輸出（data［15..0］），此串并轉換需16個周期。信號stld的下降沿將由狀態機產生的控制字（control_word［7..0］）鎖存入to_ad模塊內部的并/串移位寄存器（74165），經過8個周期后控制字由di 引腳輸入ADS7844芯片。 cs脈沖的產生由計數器實現，這里不做詳細介紹。cs_ad片選信號通過cs_ad模塊將cs信號展寬2個周期而得到，其電路結構如下：

圖3 AD_CONTROLLER 結構圖

圖4 cs_ad信號產生電路

電路由1個計數器（cs_wide）、前沿D觸發器(inst6)和后沿D觸發器（inst3）組成。當cs信號上升沿到時，inst6觸發，cs_ad置高電平。2個周期后，inst3由下降沿觸發輸出高電平，反相后將inst6和計數器cs_wide清零，同時cs_ad輸出低電平。由此看出，cs_ad的信號正是cs信號經過2個周期展寬后得到。

通道地址及控制字形成模塊(addr_1)可以實現所需的各種輸入模式，并產生通道地址和控制字^［3］，以單端輸入模式為例，VHDL代碼如下：

address:process(current_state)

begin

case current_state is

when s0=>control_word<=\"00000000\";

addr<=\"0000\";

next_state<=s1;

when s1=>control_word<=\"10000100\";

addr<=\"0001\";

next_state<=s2;

when s2=>control_word<=\"11000100\";

addr<=\"0010\";

next_state<=s3;

when s3=>control_word<=\"10010100\";

addr<=\"0011\";

next_state<=s4;

when s4=>control_word<=\"11010100\";

addr<=\"0100\";

next_state<=s5;

when s5=>control_word<=\"10100100\";

addr<=\"0101\";

next_state<=s6;

when s6=>control_word<=\"11100100\";

addr<=\"0110\";

next_state<=s7;

when s7=>control_word<=\"10110100\";

addr<=\"0111\";

next_state<=s8;

when s8=>control_word<=\"11110100\";

addr<=\"1000\";

next_state<=s0;

when others=>control_word<=\"00000000\";

next_state<=s0;

end case;

end process address;

process(cs_all，cs)

begin

if cs_all='1' then current_state<=s0;

elsif cs'event and cs='1' then

current_state<=next_state;

end if;

end process;

這里用雙進程的有限狀態機（FSM）^［4］來設計通道地址產生器。當addr<=\"0000\"時表示沒有通道被選擇，ADS7844沒有工作；當addr<=\"0000\"時表示通道1被選擇，依次類推。

4 計算機仿真分析

用Quartus Ⅱ 6.0進行分析綜合、布局，共占用Altera cyclone FPGA 59個LE（logic elements），波形仿真如圖5所示。

圖5 仿真波形圖

圖5中clk的周期為100 ns，clk1為系統時鐘4分頻后的工作時鐘，當cs_all為低電平時，AD_CONTROLLER開始工作。由狀態機產生的控制字（10000100）在stld的下降沿被鎖存入移位寄存器，當cs_ad由高變低時，控制字被逐位移出至di端口。在此，假設當ADS7844接收到控制字并由ad_do端口逐位移出1通道轉換后的數據1000000000010000，經過16個周期后oe由低變高，oe的下降沿可以將移入寄存器的數據鎖存。由圖5可見，仿真波形與ADS7844控制波形一致，達到了設計的目的。

5 結 語

本試驗用于混合動力汽車電池管理系統電池電壓、電流信息采集部分。電池管理系統通常采用雙單片機的結構，一個單片機完成電池信息采集功能，另外一個單片機完成電池SoC(State of Charge) 計算及人機交互功能。這種系統結構復雜，可靠性降低。為解決這一問題，該A/D控制器被封裝成基于Avalon總線的自定義IP核，應用于Altera 公司FPGA所支持的NIOS Ⅱ嵌入式系統中，NIOS Ⅱ軟核CPU僅在A/D控制器引起的中斷服務程序中讀取采集到的數據，這樣大大提高了采集速度和CPU的效率，使得有更多的CPU資源應用于SoC計算和人機交互。這種基于SoPC（System on Programmable Chip）的電池管理系統結構緊湊、功能齊全、可靠性大大提高。

FPGA 用來設計控制電路有很多優點。FPGA不僅可進行任意次編程，而且用戶可以借助開發工具快速編程、編譯、優化、仿真直到最后芯片制作。高集成性使得用戶可以利用硬件描述語言及開發工具在單片FPGA芯片上實現各種復雜的邏輯電路和片上系統，提高了系統性能、減小了電路面積、降低了成本。高速性有效地解決模擬控制的精度與數字控制的速度之間的矛盾。隨著FPGA性能的提高和成本的降低，以FPGA為基礎的數字電路和SoPC（System on Programmable Chip）代表了嵌入式系統的發展方向^［5］，FPGA將應用得越來越廣泛。

參考文獻

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作者簡介 周朝陽。研究方向為電動汽車電池管理系統、開狀電源。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文