智能测控电路片上系统的设计与仿真

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1、智能测控电路片上系统的设计与仿真

2、第1摘　要：智能测量控制电路在工业测控及各类消费产品中应用极广，文中介绍了其基于8位嵌入式微控制器的单芯片系统的设计及仿真。在单芯片内完成智能测控系统所需的数据调理、模数转换、用户按键输入、数码显示、控制量输出等功能。设计了基于FPGA的硬件仿真平台，验证了系统功能的正确性。本设计具有较强的通用性，可用于多种测控场合。　　关键词：智能测控；片上系统；微控制器；FPGA　DesignandSimulationofSOCforIntelligentMeasurementandControlYUZhiguo，AGuoqiang，XUSusha

3、n，XUJianjian(DepartmentofPhysics,NanjingUniversity,JiangsuNanjing,P.R..China,210093)　　Abstract:Intelligentmeasurementandcontrolcircuitisverypopularinindustrialcontrolandagreatvarietyofconsumable.Anintelligentmeasureandcontrolsystemonasinglechipisdesignedandsimulatedbasedon8-bitembeddedMC

4、U.Allthefunctionsofdatasampling,dataprocessing,keyinput,controloutput,displayetc.areimplementedonasinglechip.AnhardulationsystembasedonFPGAisdesignedandthesystemfunctionsareverified.Thedesignisingeneraluseforvariousmeasurementandcontrolsituations.　　Keyeasurementandcontrol；SOC；MCU；FPGA　1　

5、引言　　智能测量控制电路系统在工业控制、各种消费类电子产品获得了广泛的应用。它一般是以单片机为核心，外加模拟信号调理、模数转换、人机接口（包括按键和数码显示等）、功率输出等几部分组成，其系统框图如图1。测控系统是基于PCB板来设计的，体积和功耗都较大。特别是为了使系统能够应用在各种恶劣的工作环境下，设计者通常要化大量的时间和精力来研究和实施各种硬件和软件的抗干扰措施。另外，这些系统都具有大多数的共性，设计师很多的工作都是重复的。2　系统结构　　随着集成电路的设计技术和深亚微米制造技术的迅速发展，集成电路已进入片上系统时代，且由数字SoC全面转向混合信号SoC。本文的工作

6、是将智能测量控制系统所需的信号采集、转换、存储、处理和I/O等各个部分功能集成于单芯片系统之中。高度集成的单片器件比用分立的IC成本低、功耗小，占据面积小；同时简化了PCB系统设计和提高了系统的抗干扰能力。系统芯片的应用简单、通用性好，用户只要接不同的传感器和少量器件即可构成完整的测量控制系统，缩短了产品的上市时间。通用测量控制系统见图1。500)this.style.ouseg(this)">　　为了使单芯片智能测控系统具有良好的通用性，我们采取了基于微控制器内核的设计方案。系统芯片中包括微控制器、仪用放大电路、A/D转换、EEPROM、ROM、RAM及驱动逻辑等。2

7、．1微控制器内核　　在工业控制、各种中低档的消费类电子产品中，8位微控制器在目前仍然占相当大的比例，而且在未来的相当一段时间内仍然会以8位为主；其实现技术成熟，结构简单。按指令系统，微控制器可以分为CISC，RISC和类RISC等几种。CISC型代码密度高，但绝大多数指令的需要多个时钟周期完成，实现比较复杂。RISC型硬件实现比较简单，但其代码密度较低；类RISC类型则具备了代码密度高和指令单周期完成等特点。　　基于以上考虑自主开发了8位类RISC型的微控制器IP软核，其结构框图如图2所示。为了利用现有的编译工具，微控制器的指令和Microchip公司的PIC16C62

8、单片机的指令兼容。微控制器有35条单字、单周期的14bit指令，除了程序分支指令外其他指令都是单周期指令。采用了Harvard结构，两级流水线设计。具有引脚电平变化中断、外部边沿中断及定时器中断三类中断源，8级硬件堆栈。2．2A/D转换器　　A/D转换器有并行、逐次逼近、积分型等多种类型，其各有优缺点并能满足不同的具体应用要求。在大多数工业测控及消费类产品应用中，时间量级都在ms上，但都要求有较高的精度和极高的可靠性及抗干扰能力。所以决定用双积分型的A/D转换器来实现模数转换功能。设计的双积分A/D转换器的结构如图3所示，其信号的控制时序