基于FPGA的数字电压表的设计.pdf

1994-2010 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 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fpga (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 + plus 下进行软件编程实现正确的工作时序后,将编译结果下载到fpga芯片上生成soc (片上系统)。 关键词:数字电压表; fpga;adc0809;vhdl语言;max + plus 中图分类号: t m933. 22 收稿日期: 2006212225;修回日期: 2007201225。 基金项目:湖南省教育厅基金(04c512)。 0 引 言 传统的数字电压表设计通常以大规模asi c (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 1 。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。 1 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 223 。 采用altera公司flex10k系列epf10k20tc1442 4芯片fpga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。fpga软件模块原理见图2。 图1 系统原理 图2 fpga软件模块设计原理 2 fpga软件设计及模块仿真 2. 1 a /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 4 。 工作时序如下:上电瞬间, fpga初始化, add置 成“01”,状态机处于第1个状态,此时ale、start、 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1转换到状态2, ale、start置1,oe、lock为0,此时地址锁存信号 有效,由ale将add的“01” 状态锁存到地址锁存器 并译码,选择i n1即通道1作为模拟信号输入端,同时 strat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 71 第33卷第8期 2007年8月 电 子 工 程 师 electron ic engi neer vol . 33 no. 8 aug . 2007 1994-2010 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 电平,oe、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,直到转换完成。由状态2转换 到状态3后,oe置高电平,允许转换数据输出,其余信 号状态保持不变。时钟上升沿再次到来时,状态机由 状态3转换到状态4,lock置高电平,其余信号与状 态3一样。当lock由低电平转换到高电平的瞬间, 稳定的数据锁存到锁存器。上升沿再次到来,则状态 机返回状态0。控制器在时钟信号控制下完成状态转 换,实现对adc0809的控制 3 。其仿真图见图 3。 图3 a /d控制模块仿真图 2. 2 数据转换模块的软件设计 本设计采用5 v参考电压,测量范围为05 v, 由于转换器件为8位,则电压的最小分辨率为0. 02 v,因此待转换数据与实际电压值对应关系见表1。 表1 待转换数据与实际电压值对应表 参考电压5 v进制 高4位电压/v低4位电压/v十六进制二进制 0. 000. 0000000 0. 320. 0210001 2. 240. 1470111 2. 560. 1681000 4. 480. 28e1110 4. 800. 30f1111 由表1的对应关系,编一个查表程序,对上述电压 进行bcd码编码,然后根据对应的4位bcd码相加 的结果决定是否进位,从而得到待处理数据的bcd 码 5 。例如 :从ad0809上取得的数据为“11011110”, 1101对应的电压值为4. 16 v,其对应的bcd编码为 “010000010110”, 1110对应的电压值为0. 28 v,其对 应的bcd编码为“000000101000” 。低4位相加为 1110,大于9,加6将其调整为bcd码,其值为0100, 并且向前有一进位。4位相加的结果为0011,由于低 位有进位,因此最终结果为0100。高4位的结果为 0100。3位合计的值为4. 44 v,与4. 16 +0. 28的结果 相符。其他计算依此类推。此模块的仿真图见图4。 2. 3 译码输出模块的软件设计 本模块的任务是把数据处理模块处理得到的 图4 数据转换模块仿真图 bcd码转换成能被数码管识别的字型编码。8位二进 制数转换成bcd码后为12位,因此需3个数码管显 示结果。为了节省资源,采用扫描方式控制数码管的 显示,扫描时钟由ck提供,其频率应大于100 hz,否 则会有闪烁现象。译码程序仿真结果见图5。 图5 译码输出模块仿真图 3 系统仿真及验证 将以上3个程序模块用顶层文件拼合后得到如图 6所示的仿真结果。 图6 数字电压表顶层模块仿真图 由图 6可知,当fpga从ad0809上读取的数据 为0f8h (十进制 248) 时输出的段码为66h、6fh、7d, 分别对应字符4、9、6,加上小数点就是4. 96 v,而其分 辨率为0. 02 v,则a /d转换得到的电压值应为0f8 0. 02 v =4. 96 v。显示结果与理论推算完全相符。 选epf10k10tc20tc14424作为目标器件并进行 正确的引脚锁定后,将程序下载到目标配置器件 6 。 改变adc0809的模拟通道输入电压,观察数码管的输 出,其输出随着输入电压的变化而变化,当输入电压变 为0时,数码管的输出为0,输入为5 v时数码管输出 也为5. 00 v,其余情况下输入与输出也一致,至此,基 于fpga的数字电压表设计完成。本设计的结果已通 过硬件测试。 4 结束语 本设计只用了adc0809的一个通道,在不改变硬 件电路的前提下,只要稍微改变vhdl的源程序,就 可实现其余通道的利用,构成复杂的数据采集系统。 数据处理模块用查表方式设计,设计比较简单,易于理 (下转第80页) 81 测控技术 电 子 工 程 师2007年8月 1994-2010 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 6 结束语 本文设计的温度检测终端,其外围设备简单、 功耗 低、 传输无线化,可以用在诸如温室、 仓库等场合。 参 考 文 献 1张广红,刘林山,张宏伟.一线数字温度计ds1822的原理 及应用j .国外电子元器件, 2005(2) : 44247. 2马永强,李静强,冯立营.基于zigbee技术的射频芯片 cc2430j .单片机与嵌入式系统, 2006 (3) : 45247. 3凌志浩,周怡颁,郑丽国. zigbee无线通信技术及其应用研 究j .华东理工大学学报:自然科学版, 2006, 32 (7) : 8012805. 王 玮(19792 ) , 男,硕士研究生,研究方向为嵌入式系统。 design ofw ireless temperature detect based on cc2430 wangw ei, fan zebin (faculty of science , kunming university of science and technology, kunming 650093, china) abstract:this paper introduces the chips cc2430 and ds1822, a method to design a kind of wireless temperature detect device which based on cc2430 and ds1822 presented.the cc2430 chip which based on the zigbee technology is the process center .themcu which integrated in the cc243 not only responsible for controlling the ds1822 , but also for controlling the rf part in the cc2430.the device can answer to the computer center at any time. accompany with lots of this kind of device, a computer center can detect the temperature of a large room in different positions . keywords: cc2430;ds1822;wireless detection (上接第18页) 解,但对fpga的芯片资源利用率不高,因此要想编写 出更高效率的数据处理源程序,可以用权位相加的方 法实现,其原理见文献5 。这种方法不是很好理解, 但是其资源利用率明显高于查表方式;同时可以用 lcd (液晶显示器)代替 led显示,用lcd显示时译 码程序要进行相应更改,以便与lcd驱动时序同步。 编码用ascii码,并且由于lcd的速度较慢,因此时 钟频率不能过高,否则将不能对lcd进行读写。本设 计通过添加一些前置电路就可扩展其功能,如果采用 16位a /d转换器,则可以提高其分辨率。 参 考 文 献 1潘松,黄继业. eda技术实用教程m .北京:科学出版社, 2002: 1702189. 2包本刚.基于fpga器件的fi r滤波器的设计j .湖南科 技学院学报, 2005, 26(11) : 67270. 3江小平,刘杰.基于cpld /fpga的a /d转换控制器的设 计j ,苏州大学学报:工学版, 2005, 25(4) : 53255. 4蔡明生.电子设计m .北京:高等教育出版社, 2004. 5黄智伟. fpga系统设计与实践m .北京:电子工业出版 社, 2005. 6 altera corporation. flex 10k programmable logic device familydatasheet eb /ol .http: / /atera. com. 包本刚(19762 ) , 男,讲师,硕士研究生,主要从事电子技术 方面的教学与研究。 design of d igital volt meter based on fpga bao bengang, zhu xi angping (hunan college of science and technology, yongzhou 425100, china) abstract:this paper introduces a scheme for design of digital voltmeterwith the fpga chip and the tech2 nology of eda. the design is composed the controlledmodule based on adc0809, the processingmodulewith datestransition and the coding2outputmodule, which is described by the language of vhdl and ma