基于CPLD的高速数据采集系统研究开发

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1、2004年第18卷增刊测试技术学报V01．18Supp2004JOURNALOFTESTANDMEASUREMENTTECHNOLOGY基于CPLD的高速数据采集系统研究开发张恒莫波(北京理]二大学机电T程学院，北京100081)摘要本文针对高速数据采集时，无法由单片机控制整个采集过程的问题，阐述了通过对CPLD编程实现采集数据DMA直接传输，从而实现高速数据采集。重点分析了控制器的没计原理，设计过程所应注意的问题，以及VHDL程序编写。关键词CPLD：数据采集：DMA简述数据采集系统广泛的应用于生产与实验过程中，而且越来越朝着高速的方向发展，以便得到更精确，瞬间的信

2、号，往往要求达到数十以至上百兆的数据采集率，这是山单片机控制整个采集过程所达不到的，比如现在的高速单片机AVR系列，它也只能达到8Mmips，一条山ad读进数据，一条将数据存到存储器，也需要0．25us，所以其最快也只能达到4^I的采集速率，而由CPLD控制采集过程又不同，它通过逻辑门阵列实现采集控制，信号控制所需的时间等于信号在硬件电路上的延时时间，通常为儿个或十几个ns，所以它适合于高速数据采集的控制。1CPLD器件与DMA直接存储器存取方式简介CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件)的基本结构由与阵列，或阵列，

3、输入缓冲电路，输出宏单元组成。通常在CPLD中将逻辑分儿个区，每个区相当于一个大的GAL，再用总线实现各区之间的逻辑互连。采用在系统编程技术，可先将CPLD芯片安装在系统中，在其]：作环境下，依靠编程软件完成，这给硬件调试与修改带来了极人的方便。支持3．3V或5v西种供电电压，还可将已有的设计模块(如存储器，AD控制模块)嵌入新的设计单元中。CPLD的编程方式有原理圈设计，文本设计，以及波形没计等方式，其中文本设计有很大的灵活性，可根据作者需要，灵活的定义各信号间关系。常见文本设计语言为VHDL语言与AHDL语言，这两种语言都是硬件描述设计语言，被广‘泛的运用于包括C

4、PLD程序设计在内的硬件设计当中，但有很多能用语言描述的过程与现象，在具体的硬件电路中却难以实现，其表现是编译器无法编译，尽管其语法是对的，最典型的是延迟语句，delay语句，a<=bafter5ns：就是硬件无法编译的，所以必须采取其他办法来实现信号的延迟。DMA直接存储器存取是一种山专门的硬件DMA控制器来控制的数据传送方式。在DMAC的控制F，外设接口可直接与内存进行高速的数据传送，而不必经过MCU，因而传送速率很高，数据传送的速度基本上取决于外设和存储器的速度。DMA方式特别适用丁．大批量的高速传送。2工作原理与硬件组成设计中，作者采用的是Altera公司的M

5、AX9000系列，采用的是MAX+PLUS中VHDL语言编写的设计程序，AD转换器采用8位，转换开始，BUSY信号降低，转换完成后，BUSY信号升高。作者通过对CPLD编程定义其输入与输出信号间关系，设计了一个DMA控制器，F面就设计原理作了一些简单的介绍。设计中单片机通过DMA信号线与CPLD通信，控制传送方式，DMA方式还是山单片机直接控制数据总线。所以设计中添加了dma引脚，它为1时，表示DMA传输方式，RAM的数据线山AD的数据线经CPLD连接起来，RAM的地址线山CPLDI=IJ的计数器提供，该计数器山单片机给的reset信号置零，+收稿¨期：2004．04

6、．12130测试技术学报2004年6月准备开始计数，在DMA传输方式时，对AD转换器的busy信号的上升沿进行计数(busy信号为0表示ad转换器正在转换模拟输入信号，为1表示AD转换器空闲)，同时以busy信号作为RAM的写信号和片选信号，这样当AD空闲时，CPLD就将AD刚转换完的数据写入到片外数据RAM。当dma为0时，CPLD直接将RAM的数据线与MCU的数据线，RAM的地址线与MCU的地址线，以及RAM的片选信号，写信号，读信号与MCU的片选信号，写信号，读信号连接起来。这样MCU就可正常的读写数据了。以‘F是殴计框图：l加转换器箧：一dataLRAM

7、删医

8、例cs．wr．rdL图l硬件组成3设计中所考虑问题设计时必须考虑数据冲突，所谓数据冲突即同一条数据线上有两个以上的数据源正在同时写数据，这样数据线上的电平将不确定，具体视数据源所写的数据，以及各自的驱动能力，电路结构等多种因素来确定，这是硬件设计与调试中常出现的问题，通常通过添加多片74HC245进行总线隔离，每次选中其中一片使其数据源与数据线接通。这样就可保证任一时刻只有一个数据源，本设计中要防ItAD转换器和MCU同时对数据线进行操作，引起RAM的片选，读写信号，数据信号，与地址信号错误，必须在设计上加以考虑，具体可由dma信号予以实现，所以AD