基于AVR和CPLD的高速数据采集系统.docx

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1、基于AVR和CPLD的高速数据采集系统技术分类：可编程器件 

2、2010-09-29电子设计工程杜建海张丕状李鑫旺　　输入系统的信息大多数是模拟量，为使计算机能够处理这些模拟量，必须经由数据采集系统将模拟量转化为数字量。CPLD是在PAL、GAL等逻辑器件的基础上发展起来的，CPLD的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路的应用场合，它的高集成度能力大大缩小电路板的尺寸，降低了系统的成本，而且能够提高系统的性能和可靠性。对于一个成型的探测系统而言，通常都是有采集储存部分的，无论是电信号、光信号、声音信号、磁信号等在被探测器接收到后大部分都需

3、要转化为数字信号传给处理器才能完成分析、判断的过程。对于需要高速采集并存储的系统，常常需要购买昂贵的高速采集卡等设备，在基于CPLD、AVR等控制高速ADC、储存等技术的基础上，本文设计低成本、高速采集存储的硬件实现。　　1系统总体设计方案　　系统利用ATmegal62作为主控制器，CPLD用于产生控制时序，二者相结合协调进行数据的采集与传输控制。图1给出其系统总体设计方案框图。　　数据采集系统的工作原理是：模拟量信号经过传感器后转化成电压量，通过ADC将模拟量转换为数字量，而后进行传输存储和处理。在本系统中，在CPLD和AVR的控制下，

4、将采集到的模拟信号经过A／D器件转换之后，转换结果先缓存到FIFO，再转存到非易失性Flash阵列中，其中FIFO不但可以实现缓存功能，还可以解决A／D转换之后数据位数跟Flash存储器的数据线位数不匹配的矛盾。　　1．1采集部分　　本系统应用的A／D转换器是MAXl308，它具有8通道可编程配置，可接收数字输入分别激活每一路通道；100ps通道间T／H匹配；转换时间为0．72(单通道)，0．9(2通道)，1．26(4通道)，1．98μs(8通道)；吞吐率为1075(单通道)，90(2通道)，680(4通道)，456千次／秒(8通道)。其

5、他特性包括20MHzT／H输入带宽、并具有内部时钟、内部(+2．5V)或外部(+2．0～+3．OV)基准，以及低功耗省电模式。　　1．2控制与存储部分　　如图2所示是4个Flash模块组采用流水线(pipeline)操作，使用该方式可以克服Flash写入速度较慢的缺点。Flash存储器的写入有2个阶段：数据加载阶段(通过I／0端口将数据写入页寄存器)和编程阶段(在芯片内部，将页寄存器的数据传输到存储单元)。由于编程阶段是自动进行的，不需要外部系统的干预，控制器可以进行其他事务的处理，如有效块地址的运算等，从而节省系统开销。NAND型Fla

6、sh存储器的写操作以流水线方式进行，首先加载第1个Flash模块组，数据加载完后，第1个模块组进入自动编程阶段：再加载第2个Flash模块组，数据加载完后，第2个模块组进入自动编程阶段；然后依次对第3个乃至第4个模块组进行操作，当第4个模块组数据加载完后，第1个存储模块组已经自动编程结束，接着再加载和自动编程形成流水线的工作方式。从整个系统总体效果来看，它一直在进行存储加载数据。　　2程序设计与实现　　编程实现采集部分的功能，采集部分时序图如图3所示。任意选择两条通道进行内部时钟分析，图中为第3通道和第7通道，当控制信号产生低电平时，控制

7、引脚起作用，触发采集功能，同时EOC引脚电平至低。在tCTR段时间后读信号被启动经过tACC的时间后，12位数据将出现在DO-D11引脚上。在整个采集、存储过程中其他通道和通道3、通道7一样，随后将数据存入数据缓存器中。　　2．1控制A／D转换程序设计　　根据控制存储的要求，首先要设计控制A／D转换的状态机，用来确定A／D转换的状态，根据MAXl308工作时序特点而设计的控制A／D转换的状态机转换图如图4所示。实现控制A／D转换的状态机部分主要VHDL程序源代码如下：将程序下载至CPLD中运行调试，经过对电路的调试和测量，控制8通道A／D

8、同时转换的状态机产生的示波器时序波形如图5所示，其中，0、1、2、3、4分别对应的是图3中的CONVST、EOC、EOLC、CS、RD，而第5通道是对FIF0的写信号。从示波器显示的波形图可以看出产生的8个连续的脉冲对应位置完全满足图3所要求的时序要求，也就是说在控制器同时控制8路信号的采集时不会出现时序混乱的情况。由此可知，采用本系统中设计的采集程序可以实现同时采集的要求，并且根据采集的脉冲宽度分析可知该系统能满足采集速度为10Mb／s的设计要求。　　2．2控制Flash存储程序设计　　4个Flash存储器的流水线工作原理如图2所示，对

9、单独的每一片Flash来说每一次存储都是在上一次存储过程中加载完成后进行，而对于由4片Flash存储器组成的整个系统，它一直在加载存储数据，这样可以保证存储速度大于采集速度，从而保证存储过程中