摘要：介紹一種基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并給出詳細的設計方案。計算機通過ISA總線實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的指令和數(shù)據(jù)傳輸。通過VHDL編程實現(xiàn)CPLD對12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7816的控制。最后，給出該系統(tǒng)設計的仿真波形和測試結(jié)果。
關鍵詞：CPLD；數(shù)據(jù)采集；ISA總線；VHDL

    數(shù)據(jù)采集是工業(yè)測量和控制系統(tǒng)中的重要部分。它是測控現(xiàn)場的模擬信號源與上位機之間的接口，其任務是采集現(xiàn)場連續(xù)變化的被測信號。系統(tǒng)應將所采集的模擬數(shù)據(jù)信號盡可能真實、不失真地顯示給控制人員。
    隨著計算機技術和EDA技術的發(fā)展，由于復雜可編程邏輯器件(CPLD)具有高集成度、小體積、低成本、低功耗以及高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點而廣泛使用到諸如傳統(tǒng)工業(yè)控制等各個領域。基于ISA的接口電路，其布線要求遠沒有PCI或USB接口板高。由于它能夠提供16位I／O操作，對I／O的直接讀寫可以完全不考慮復雜的驅(qū)動程序和應用程序，因而在ISA總線上開發(fā)接口電路目前仍是首先考慮的方法。因此，這里提出一種基于CPLD和ISA總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)硬件設計
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路主要包括：CPLD邏輯控制電路、8254定時器電路、A／D轉(zhuǎn)換電路。該系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示。

1．1 CPLD邏輯控制電路
    該系統(tǒng)使用XC9572作為主控器件。XC9572是一款高性能可編程邏輯器件，內(nèi)含4個36 v 18功能模塊，具有l(wèi) 600個可用系統(tǒng)門。ISA總線上的地址、控制指令和數(shù)據(jù)被送進CPLD，經(jīng)處理后送到相應電路中。由A／D轉(zhuǎn)換電路得到的數(shù)據(jù)也返回到CPLD進行處理，并經(jīng)ISA總線送至計算機中。
    圖2為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的邏輯控制電路，Ul是數(shù)據(jù)緩沖器74HC245，由lSA總線的讀／寫信號(IOR／IOW)和板卡選擇信號(BSEL)決定數(shù)據(jù)的流向。比較器74LS688和XFl組成板卡選擇信號發(fā)生電路。通過在XFl上的跳線可確定采集系統(tǒng)板的基地址。該系統(tǒng)基地址設置為280H。

    ISA總線上的讀寫信號，經(jīng)緩沖器的數(shù)據(jù)信號(LADO～LAD7)，地址信號(A0～A3)均與XC29572相連，CPLD發(fā)送A／D轉(zhuǎn)換器的片選信號(ADCS)、A／D時鐘信號(ADCLK)以及通道選擇信號(CHA0～CHA2)。
1．2 8254可編程定時器電路
    8254可編程定時器內(nèi)部具有3個獨立的16位減法計數(shù)器，它可由程序設置成多種工作方式，有6種可選工作方式。計數(shù)器按照設置各工作方式寄存器中控制字工作，按十進制計數(shù)或二進制計數(shù)，最高計數(shù)速率可達10 MHz。
    該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要由8254提供AD轉(zhuǎn)換電路的時鐘信號和片選信號，通過改變8254的控制字改變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換頻率。8254定時器的輸入時鐘由外部晶振提供。定時器和定時器的輸出信號直接送入可編程邏輯器件XC9572，經(jīng)處理后提A／D轉(zhuǎn)換電路使用。上位機寫入的控制字經(jīng)ISA總線送至8254，同時XC9572給8254提供必要的控制信號，如：8254讀／寫信號、片選信號、地址信號等。
    假設系統(tǒng)的外部時鐘為2 MHz，如果需要8254的定時器0輸出一個頻率為l MHz，占空比為50％的時鐘，則8254的定時器控制字可設置為：D7～D0=00110110,其中，D7D6=00，表示選擇定時器；D5D4=11，表示先讀／寫低8位，后讀／寫高8位數(shù)據(jù)；D3D2Dl=011，表示工作方式3，方波發(fā)生器；D0=0，表示二進制計數(shù)。
1．3 A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，主要包括MD轉(zhuǎn)換和模擬信號采樣兩部分電路。
    8通道模擬采樣開關ADG508用于采樣模擬信號。由CPLD送來的通道選擇信號(CH0～CH2)用于選擇輸入的通道號。被選通的通道采樣得到的模擬信號送給ADS7816的IN+端，進行AD轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

    A／D轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的ADS7816，該器件是12位串行A／D轉(zhuǎn)換器，采樣頻率高達200 kHz，轉(zhuǎn)換所需時間短，轉(zhuǎn)換精度高，輸出形式為位串行，因此在對ADS7816進行讀數(shù)據(jù)操作時需注意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中的時序。

    圖4是ADS7816的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時序。當ADS7816的片選端下降沿到來時，開始啟動一次A／D轉(zhuǎn)換，保持轉(zhuǎn)換時鐘輸入和片選信號低電平，最初的1．5～2個時鐘時間里，完成模擬信號的采樣，這段時間ADS7816的輸出呈高阻狀態(tài)(HI-Z)。緊接著的1個時鐘周期里，DOUT輸出1個空位(NULL BIT)。隨后，ADS7816在12個連續(xù)的時鐘周期內(nèi)把12位的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出，其中先輸出最高位(MSB)，最后輸出最低位(LSB)。如果12位數(shù)據(jù)送出后仍有轉(zhuǎn)換時鐘且ADS7816的片選仍保持低電平，那么轉(zhuǎn)換器會從最低位起逐位重復輸出之前轉(zhuǎn)換的結(jié)果。當下一個片選信號的下降沿到來時，A／D轉(zhuǎn)換器開始啟動下一次A／D轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件設計包括基于VHDL的邏輯控制程序設計和基于C語言的上位機采集測試程序設計。
2．1 VHDL程序設計
    系統(tǒng)設計硬件中，可編程邏輯器件完成的內(nèi)容有：接收上位機的地址和數(shù)據(jù)，為模擬開關提供通道選擇信號，為A／D轉(zhuǎn)換電路提供時鐘信號和片選信號，接收ADS7816轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，向上位機傳送轉(zhuǎn)換結(jié)果。
    從圖4中可得到ADS7816在片選信號下降沿到來后的14．5～15個時鐘周期里，完成一次轉(zhuǎn)換并逐位輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。為了能夠得到完整的正確的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，采用計數(shù)方式設置標志位FLG。在ADS7816的片選信號為低電平的前15個時鐘周期中，即“計數(shù)器計數(shù)值≤14”時，F(xiàn)LG=l，表示A／D轉(zhuǎn)換正在進行；當“計數(shù)器的計數(shù)值>14”，則FLG=0，表示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束。當FLG=0時，程序可讀取一次正確的A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
    因為ADS7816的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果是串行輸入到CPLD中，需在CPLD中將得到的數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換后再通過ISA總線的8位數(shù)據(jù)線分2次送出。
    系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前需先選擇輸入通道，確定采集哪一路信號。上位機輸入的通道號經(jīng)CPLD送至8路模擬采樣開關。
2．2 數(shù)據(jù)采集測試程序設計
    上位機的數(shù)據(jù)采集測試程序采用C語言設計。因為系統(tǒng)采用ISA接口，所以功能測試無需編寫復雜的應用程序，只需在Win98操作系統(tǒng)里編寫C語言的測試程序即可實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能。上位機的數(shù)據(jù)采集測試程序主要完成：采集系統(tǒng)的硬件初始化、通道選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出。其程序設計流程如圖5所示。

3 仿真和實驗結(jié)果
    圖6所示為寫入XC9572的VHDL程序的仿真波形，主要是CPLD控制A／D轉(zhuǎn)換的功能仿真。從仿真波形圖中可以看出，當?shù)刂稟為7時，寫入通道號3，得到的輸入通道選通信號為3，實現(xiàn)通過上位機選擇輸入通道功能。當ADCS的下降沿到來后開始啟動A／D轉(zhuǎn)換；ADCS下降沿起的第3個時鐘對應的ADDATA為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的第1個數(shù)據(jù)，直到這次轉(zhuǎn)換完畢。由給定的ADDATA數(shù)據(jù)得知，串行輸入的數(shù)據(jù)是767H(011l O110 0111B)。仿真結(jié)果中，地址為4時，數(shù)據(jù)的低8位結(jié)果為67H；地址為5時，數(shù)據(jù)的高8位結(jié)果為07H，仿真結(jié)果完全正確。

    在Windows98下，使用基于C語言的數(shù)據(jù)采集測試程序，可得到如表l所示的測試數(shù)據(jù)。從所列數(shù)據(jù)看出，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)正確，且精度高。

4 結(jié)論
    基于CPLD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有硬件線路簡單、精度高、采集速度快的特點。ISA總線和CPLD結(jié)合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有其獨特的優(yōu)勢。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可循環(huán)采樣多路(8路)模擬信號采樣。實際測試結(jié)果表明該設計方案可行，且具有很高的實用價值。