基于fpga的数字电压表的设计new

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1、万方数据第33卷第8期电字工一一V01．33No．82007年8月ELECTRONICENGINEERAug．2007基于FPGA的数字电压表的设计包本刚，朱湘萍(湖南科技学院电子工程与物理系，湖南省永州市425100)摘要：采用EDA(电子设计自动化)技术和FPcA(现场可编程门阵列)芯片设计数字电压表。整个设计采用VHDL，由ADC0809转换控制模块、数据转换模块、译码模块组成。并在MAx+PLuSⅡ下进行软件编程实现正确的工作时序后，将编译结果下裁到FPGA芯片上生成soC(片上系统)。关键词：数字电

2、压表；FPGA；ADC0809；VHDL语言；MAx+PLUsⅡ中圈分类号：1M933．22O引言传统的数字电压表设计通常以大规模AsIC(专用集成电路)为核心器件，并辅以少量中规模集成电路及显示器件构成。ASIC完成从模拟量的输入到数字量的输出，是数字电压表的心脏。这种电压表的设计简单、精确度高，但是这种设计方法由于采用了ASIC器件使得它欠缺灵活性，其系统功能固定，难以更新扩展。后来发展起来的用微处理器(单片机)控制通用A／D转换器件的数字电压表的设计的灵活性明显提高，系统功能的扩展变得简单，但是由于微处

3、理器的引脚数量有限，其控制转换速度和灵活性还是不能满足日益发展的电子工业的需求。而应用EDA(电子设计自动化)技术及FPGA(现场可编程门阵列)，其集成度高、速度快、性能十分可靠、用户可自由编程且编程语言通俗易懂、系统功能扩展非常方便⋯。采用FPGA芯片控制通用A／D转换器可使速度、灵活性大大优于由微处理器和通用A／D转换器构成的数字电压表。l系统设计原理本设计利用ADC0809作为电压采样端口，FPGA作为系统的核心器件，用LED(发光二极管)进行数码显示。其系统原理图如图1所示旧引。采用Alte豫公司n肥

4、x10K系列EPFl0勉OTCl44．4芯片n，GA作为系统的核心器件，负责ADC0809的A／D转换的启动、地址锁存、输入通道选择、数据读取。同时，把读取的8位二进制数据转换成便于输出的3位十进制BCD码送给数码管，以显示当前测量电压值。这些工作由ADC0809转换控制模块、数据转换模块、译码模块完成。FPCA软件模块原理见图2。收稿日期：2006—12．25；修回日期：2007ml彩。基金项目：湖南省教育厅基金(04c512)。圈1系统原理CLCEO±—Ll数据输念卜卜＼oE／转换8位＼12位＼START

5、控制二进翻数／数据二进制数／译码模块／幸喜蛐k模块ALyADD图2重翻3A软件模块设计原理2H’GA软件设计及模块仿真2．1A／D转换控制模块的软件设计本模块完成ADC0809的初始化、A／D转换的启动、地址锁存、通道选择、状态读取及数据读取、数据锁存等功能。此模块的软件设计主要采用VHDL的多进程状态机完成MJ。工作时序如下：上电瞬间，FPGA初始化，ADD置成“0l”，状态机处于第1个状态，此时ALE、蛐～RT、OE、LOCK(数据锁存信号)均置0，初始化ADC0809。第1个上升沿到来时，状态机由状态l

6、转换到状态2。ALE、START置l，OE、LOCK为0，此时地址锁存信号有效，由ALE将ADD的“0l”状态锁存到地址锁存器并译码，选择INl即通道l作为模拟信号输入端，同时s1卧T信号有效，启动采样。第2个上升沿到来时，状态机由状态2转换到状态3，ALE、START返回到低·17·万方数据·潮控技术·电子工皇■2007年8月电平，0E、LOCK继续为低电平，此时如果FPGA检测到ADC0809的EOC引脚由低电平变成高电平(A／D转换完成)，则当时钟上升沿到来时，转换到状态3，否则继续保持在状态2，直到转

7、换完成。由状态2转换图4数据转换模块仿真图到状态3后，oE置高电平，允许转换数据输串，其余信BcD码转换成能被数码管识别的字型编码。8位二进号状态保持不变。时钟上升沿再次到来时，状态机由制数转换成BCD码后为12位，因此需3个数码管显状态3转换到状态4，LOCK置高电平，其余信号与状示结果。为了节省资源，采用扫描方式控制数码管的态3一样。当LOCK由低电平转换到高电平的瞬间，显示。扫描时钟由CK提供，其频率应大于100H。，否稳定的数据锁存到锁存器。上升沿再次到来，则状态则会有闪烁现象。译码程序仿真结果见图5

8、。机返回状态O。控制器在时钟信号控制F完成状态转换。实现对ADC0809的控制‘"。其仿真图见图3。图5译码输出模块仿翼图图3A／D控制模块仿真图3系统仿真及验证2．2数据转换模块的软件设计将以上3个程序模块用顶层文件拼合后得到如图本设计采用5V参考电压，测量范围为0～5V，6所示的仿真结果。由于转换器件为8位，则电压的最小分辨率为O．02V，因此待转换数据与实际电压值对应关系见表1。裹l待转换数据