（测试计量技术及仪器专业论文）基于cpld的高速数据采集系统的设计.pdf

中北大学学位论文 基于g p l d 的高速数据采集系统的设计 摘要 本文以“窄脉冲时域反射仪的设计”课题为背景，针对该仪器产生的波形特点： 在同一次测试中多次启动发射电路将产生一个固定的波形。对该固定波形，采用精确设 计采样点，把高速数据采样转换为相应的多次低速采样，并将采集所得波形进行重新拼 凑，达到高速数据采集的目的。 ， 系统采用了一组较低采样速率的a d ( 模拟，数字) 转换芯片和较低速大容量的存储 芯片，通过计数器计时结合专门编写的控制模块精确确定采样时间，由此产生的时钟控 制信号精确地控制低速a d 转换芯片的采样点，并存入对应的存储单元，最后将数据按 照高速采集的要求重新组合，达到高速数据采集的要求。本文在深入地讨论了基于c p l d ( c o m p l e xp m 孕锄a b l el o 酉cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 技术的电路的设计过程的 基础上，详细叙述了数据采集逻辑控制模块的硬件研制过程、系统软件设计过程和 v h d l ( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n d a u ) 硬件描述语言设计过程。全文的重点是 数据采集模块的逻辑控制硬件设计、v h d l 硬件描述语言设计。 论文最后附有硬件设计原理图及p c b 图。 该系统具有较高的性能价格比，满足设计的频率1 0 0 m h z 的数据采集所需要求，具 有较高的实用价值，并且采用了i s p ( h ls y s t e mp r 0 孕a m a b l e ，在系统可编程) 技术，使 得电路的修改和升级像软件一样方便、快捷，整机体积也大大缩小了，满足了发展的需 要，并加快了该项目的开发进度。整个系统具有较简单的硬件电路和较低的成本，并且 可以有效提高窄脉冲时域反射仪的测量精度，同时该系统以其高的性能价格比使其在 r g b 图象处理、高精度视频、数字存储示波器、电力电缆故障测试、国防、航空航天、 通讯等领域可以得到广泛的应用。 关键词：高速数据数据采集，模数转换，v h d l ，单片机 中北大学学位论文 t h ed e s i g no fh i g h s p e e dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc p l d a b s t r a c t t h ep a p e ri su n d e rt h eb a c k g r o u n do f n a r r o w p u l s et i m ed o m a i nr e f i e c t o m e t r y ( n a r r o w p u l s et d r ) b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ew a v e ，t h ep a p e rr e a l i z et h e h i c a 。s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nb ym e a n so fa c q u i r eaf i x e dw a v em a n yt i m e sa n dd a t ap r o c e s s i n g i na d d i t i o n ，t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e sa n da n a l y z e st h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo fh i g h - s p e e d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n d a n t e - j a m m i n gt e c h n o l o g y t h eh i 曲一s p e e dd a t aa c q u i s “i o ns y s t e mu s e sl o ws p e e ds a m p l er a t ea dc o n v e r t e ra n d l o ws p e e dm e m o r i z e r t h es y s t e mg e n e r a t e st i m es e q u e n c eb yt h ec o u n t e ra n dc o n t r o lm o d u l e t h es y s t e mc o n t r o lt h el o ws p e e ds a m p l er a t ea dc o n v e r t e ra n dl o w s p e e dm e m o r i z e r v i at h e t i m es e q u e n c e a tl a s t ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ea dc o n v e r t e ra n d m e m o r i z e rb yu s i n gt h ev h d l ( v h s ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) b a s e do nc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) a sa c o n s e q u e n c e ，t h e r ea r eh a r d w a r ed e s i g np i c t u r ea n dp c b c h a ti nt h ea p p e n d i xo ft h e p a p e i nt h ee n d , t h eh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu s e sl o ws p e e ds a m p l er a t ea d c o n v e r t e r 柚dl o ws p e e dm e m o r i z e r , s ot h es y s t e mh a ss i m p l eh a r d w a r ea n dl o wc o s tb e c a u s e o fu s i n gi s p ( 1 ns y s t e mp r o g r a m a b l e ) t e c h n o l o g y , i tm a k e sd e v e l o pp r o j e c tm o r er a p i da n d m a k e sm o d i f yh a r d w a r ec i r c u i tm o l ec 丑s y s oc o m b i n e dw i t hu s eo fs o f tw a r e ，t h eh i c a s p e e d d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mc a l li m p r o v et h et e s tp r e c i s i o no ft h en a r r o w p u l s et d r a n ds i m i l a r t e s ts y s t e m b e c a u s eo fi t sh i 曲c a p a b i l i t ya n dl o wc o s t ，i tc a nb eu s e di nm a n yf i e l d sw i d e l y , s u c ha s ：i m a g em a n i p u l a t i o n ，h i 曲- p r e c i s i o nv i d e o ，d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o g r a p h ，c a b l ef a u l t l o c a t i o n ，n a t i o n a ld e f e u c e ，a e r o s p a c ei n d u s t r ya n dc o m m u n i c a t i o n s k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n ，a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r v h d l , s i n g l e c h i p 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：陧丝日期：2 一岁弓。 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件： 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：隧丝 日期： 西、弓。 铷繇厂墨址隰趁丛业 中北大学学位论文 1 1 研究本课题的背景及意义 第一章序言 数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ) 是获取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科学 的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门 综合应用技术，它研究数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的实用性。随 着现代电子科学技术的发展，对于单次信号、高速低重复率信号、干扰信号等高速瞬态 信号的测量就显的越来越重要，例如在图象处理、卫星遥感、遥测等方面，这些信号都 属于高频信号，对于这些信号的测量，低速数据采集系统就显的无能为力，必须采用高 速甚至超高速数据采集，才能准确地记录和再现原始信号，以便对其进行分析和处理。 从现有的技术和产品来看，低速、低分辨率的数据采集技术已相当成熟，实现起来 比较容易，单片a d c 即可满足要求，产品的稳定性和可靠性已无庸置疑。而高速数据 采集技术是信息技术的基础和前沿，目前我国的高速数据采集技术相对比较落后，是我 国信息技术的颈瓶，研究和发展该项技术对于我国的军用和民用领域都具有重要的价值 和广阔的应用前景。 高速数据采集是现在电子信息实时处理系统的重要环节，这是因为在某些情况下， 必须采用高速数据采集技术才能满足信息处理的实时性与准确性，由于电子技术与计算 机的飞速发展和普及应用，高速数据采集越来越显示出其重要性。譬如，雷达信号，干 扰信号等信息的采集与处理，只有借助高速数据采集才能够实现，本课题的研究与设计 将在r g b 图象处理、高精度视频、数字存储示波器、电力电缆故障测试、国防、航空 航天、能源、通讯等领域得到广泛的应用，所以高速数据采集系统的设计与应用，是适 应现代科技发展的关键，具有重要的理论和现实意义i l j 。 因此，积极研制和开发拥有自主知识产权的、性能优异的、模块化的数据采集产品 中北大学学位论文 已是迫在眉睫。本论文结合我们的省留学生基金的“窄脉冲时域反射仪的设计”这个课 题，总结数据采集系统及单片机发展趋势的基础上，本着实用、可靠、安全、简洁及经 济等设计原则，设计开发了基于c p l d 技术的高速数据采集系统。其特点是：在同一次 测试中多次启动发射电路将产生一个固定的波形。对该固定波形，采用精确设计采样点， 把高速数据采样转换为相应的多次低速采样，并将采集所得波形进行重新拼凑，达到高 速数据采集的目的，实现高分辩率数据处理。 1 2 数据采集系统的概述及发展现状 1 2 1 数据采集系统的基本概述 随着计算机的广泛应用和微电子学的高度发展，数字系统已被广泛地应用于国民经 济、国防建设与科学实验的各个领域。和模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好 等一系列优点，但数字系统只能处理离散的数字信号。外部世界各种被检测量，如温度、 压力、位移、流量、角度、位置等，通过相应的各种类型的传感器转换成便于进一步处 理的物理量( 一般为电压、电流、电阻或电脉冲等信号) 。只有一部分传感器可以将外 部世界的被检测量直接转换为数字信号或开关信号( 只是一种只有0 、1 两个状态的数 字信号) 。所以往往需要将这些模拟信号转换为便于处理和存储的数字信号 2 1 。 图1 1 示出在实际外部世界中的数据采集技术。显然要采集的有以下三类信号： 2 中北大学学位论文 外 一匠丑巫困趣 裂子1 酣 计 广 厂 数字信号 部 _ 1 传感卜_ 叫信号调理| - 厂 厂 ”o 算 世 _ i 传感r 叫信号调理l 。 机 界 一二 蔓二习+ _ 主三蔓垂 ) 卜拉一数字信号 图1 1 外部世界中的数据采集技术 1 、开关信号 开关信号也即只有两个状态( o 或1 ) 的数字信号，如开关的合与断；继电器的激 励与释放等等。 2 、数字信号 数字信号即指用二进制形式表示的数，如数字电压表、键盘等的输出信息。频率输 出型数据传感器输出的信号也为数字信号。 3 、模拟信号 模拟信号系指在规定的连续时间内，对输入信号的幅值可以在连续范围内任意取值 的信号。 由于对开关信号或数字信号计算机可以直接采集处理，所以数据采集技术主要讨论 模拟信号( 特别是模拟电压信号) 的采集。将这些由模拟信号转换而来的数字信号与直 接来自传感器的其它数字信号、开关信号等送往计算机，并进一步予以处理、显示、传 输与记录的过程，称为数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ) 。实现数据采集的系统即为数据采集 系统a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) ，这通常包括模拟量输入、开关量输入、数字量输 入以及模拟量输出、开关量输出、数字量输出等子系统，在数据采集系统中采集模拟量 信号的子系统( 简称模入子系统) ，占有及其重要的地位。 3 中北大学学位论文 1 2 2 数据采集系统的发展及现状 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感技术、信号处理技术、计算机 技术一起构成了现代检测技术的基础 训。 科学技术的发展己在数据采集的采样速率、分辨率、精度、接口能力及抗于扰能力 等方面提出了越来越高的要求【2 】。迄今为止，工业上使用的数据采集系统大致可分为四 种： 1 、基于通用微型计算机( 女n p c 机) 的数据采集系统。这种系统主要功能是将采集 来的信号通过外部的采样和a ，d 转换后的数字信号通过接口电路送入微机内进行处理， 然后再显示处理结果或经过d a 转换输出。它主要有以下几个特点【5 】： 系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来 支持系统进行工作。 具有自开发能力。 系统的软硬件的应用配置比较小，系统的成本较高，但二次开发时，软硬件扩 展能力较好。 在工业环境中运行的可靠性差，对安放的环境要求较高；程序在r a m 中运行， 易受外界干扰破坏。 2 、基于单片机的数据采集系统。它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集 系统，是近年来微机技术快速发展的结果，它具有如下特点【1 2 1 ： 系统不具有自主开发能力。因此，系统的软硬件开发必须借助开发工具。 系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系 统的软硬件应用配置比接近于1 ，具有最佳的性价比。系统的软件一般都有应用程序。 系统的可靠性好、使用方便。应用程序在r o m 中运行不会因外界的干扰而破坏， 而且上电后系统立即进入用户状态。 4 中北大学学位论文 3 、基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统。d s p 数字信号微处理器从理论上而 言就是一种单片机的形式，常用的数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用d s p 芯片， 一种是通用d s p 芯片。基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下：精度高、 灵活性好、可靠性好、容易集成、分时复用等，但同时其价格不菲。 4 、基于混合型计算机采集系统。这是一种近年来随着8 位单片机在计算机应用领域 中迅速发展的一种系统结构形式。它是由通用计算机o c 机) 与单片机通过标准总线( 例如 r s 一2 3 2 c 标准1 相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专为数据采集等功能的要 求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形 显示等任务。混合型计算机数据采集系统有以下特点： 通常具有自开发能力。 系统配置灵活。易构成各种大中型测控系统。 主机可远离现场而构成各种局域网络系统。 充分利用主机资源，但不会占有主机的全部c p u 时间。 随着微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为数据采集系统的 应用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。数据采集系统的 发展趋势主要表现在以下几个方面： 1 、新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的性 能。 2 、高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系 统的广泛应用。 3 、新一代在系统编程技术i s p 的推出，必将对今后数据采集系统的发展产生深远的 影响。 4 、与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领 域里应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。 5 中北大学学位论文 5 、分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。 我们设计的基于c p l d 的高速数据采集系统具有成本低廉，针对性强，采用i s p 在系 统编程技术，不但硬件设计简单，而且修改硬件如同修改软件一样方便。同时系统采用 r s 2 3 2 通讯接口，可以很方便地和主机连接，可以通过主机进行进一步数据处理。 1 3 论文组织及章节安排 随着现代电子技术的迅猛发展，现代电子系统设计技术也迈入了一个全新的阶段。 f 1 8 0 年代以来，可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e - - p l d ) 技术发展非常迅 速。由于p l d 是作为一种通用器件生产的，而它的逻辑功能是由用户通过对器件编程实 现的，随着p l d 的集成度越来越高，速度越来越快，设计越来越方便灵活，因而日益成 为专用集成电路a s i c 设计的主流方法。特别是9 0 年代新一代在系统编程技术i s p 的推出， 取消了专用编程设备，器件本身也不必从系统电路板上取下，可以使用硬件描述语言和 电路图方法在系统内编程。这一创举使现代电子系统设计的方法前进了一大步，设计周 期大大缩短，库存大大减少，效率大为提高，并且十分有利于产品的升级和更新换代。 因此，我们研制了基于e d a 技术的高速数据采集模块，也是一种混合型计算机采集系统。 由于e d a 技术的应用，使得本数据采集模块更加通用、便捷。本文的主要创新点是采用 较低速的a d 采集芯片及配套存储芯片，使用e d a 技术设计了专门的控制电路完成了多 次的对一个固定波形的模数转换，然后进行波形的拼凑，以达到高速数据采集的目的， 最终实现高分辨率的数据处理。具体章节安排如下? 论文第1 章简要地介绍了本课题研究的背景、意义及发展现状； 论文第2 章主要讲述了数据采集的基本理论，同时提出了高速采集的技术要求； 论文第3 章阐述了设计背景的波形特点和处理要求，提出了适合该专用数据采集系 统的的硬件整体设计方案，并进行比较选择，确定方案后，分别从a d 转化电路、单片 6 中北大学学位论文 机控制电路、数据存储电路及等几个方面详细进行了阐述； 论文第4 章首先从高速数据采集的逻辑控制分析出发，提出了专用逻辑控制的要求。 紧接着简要叙述t e d a 技术的概述和开发流程，确定了专用的可编程芯片，针对该专用 的控制电路，详细叙述了使用c p l d 实现高速数据采集的逻辑控制的过程，给出了电路 原理和出仿真时序图； 第5 章进行数据采集模块的软件设计，简要介绍了单片机的串口通信的参数确定方 法，给出软件设计的框图和汇编源程序； 第6 章介绍了系统的抗干扰与误差分析； 最后是全文的总结，在此研究的基础上针对不足之处给出了展望并对下一步工作做 了简要规划 7 中北大学学位论文 第二章数据采集系统的基础理论和高速数据采集 2 1 数据采集基本理论 “数据采集”是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量，再进行存储、处理、显 示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 数据采集的基本理论包括采样定理、量化与量化误差、编码、数据采集的有效位数 等1 3 】，下面分别加以讨论。 2 2 模拟信号的数字化过程 自然界中的物理量，大多是在时间上和幅值上均连续变化的模拟量，或称为连续时 间函数，需要以模拟量的形式而信息处理多由数字计算机来实现，处理的结果又常常 “反馈”给外界的物理系统。这里就需要解决模拟量与数字量之间的相互转化问题，即 采样与重构( 恢复) 的问题。这个问题也是数据采集系统的核心问题p 1 1 4 1 。 我们现在重点讨论的数据采集系统可以简化成讨论图1 1 的第路数字信号的形成 过程。由传感设备传来的模拟信号x ( t ) 首先经过一个预采样滤波器进行初步处理，主要 是为满足采样定理的要求而滤除高频干扰，然后由采样器按照预定的时间问隔t s 对模拟 信号离散化得到离散时间信号x s ( n t 。) ，再经过量化变为量化信号) ( q ( d t s ) ，再由模数转换 器( a d c ) 把离散子样进行量化与编码转换为数字信号x 伍) ，使之变成数字信号送到处 理器进行数字处理，处理器一般由数字计算机来承担，处理结果再由数模转换器( d a c ) 转换成模拟量，经过平滑滤波器做平滑处理后送到外界系统中去。模拟信号的数字化过 程如图2 1 所示i6 1 。 8 中北大学学位论文 x ( t ) 8 q 6 q 4 q 2 q x 。( n t d 8 q 6 q 4 q z q ) ( q ( n t s ) 8 q 6 q 4 q 2 q x ( n ) 8 q 6 q 4 q 2 q ot 。2 t 。3 t 。4 t 。5 t ；6 t7 t 。8 t 。 t 0t 。2 t 。3 t s4 1 。5 t 。6 t 。7 t ；8 t ；t t ot 。2 t 。3 t s4 t 。5 t 。6 t 。7 t 。8 t 。t 图2 1 模拟信号的数字化过程 9 中北大学学位论文 2 3 采样定理 数字信号x d 只是模拟信号k 个特定时刻取值的转换结果。用 x d 描述) ( a 一序列 离散采样值，采样定理已经指出：一个带宽限制在o f m 的模拟信号毪，唯一地由一系 1 列时间间隔不大于号 秒的均匀采样值确定。这相当于在信号最高频率时，每一周期至 一j m 少提取两个采样值。例如当模拟信号的最高频率为5 k h z ，理论上的最小采样应为每秒 内取1 万个采样值。工程上常以3 分贝截止频率为信号带宽，对此采样频率一般要达到 3 分贝截止频率的3 5 倍。 2 3 1 采样方式 有两种基本的数字化采样方式：“实时采样”与“等效时间采样”。 1 、实时采样 对于“实时采样”，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采入并数字化， 然后，经过一个采样间隔，再采入第二个样本。这样一直将整个信号波形数字化后存入 波形存储器。实时采样的主要优点在于信号波形一到就采入，因此适用于任何形式的信 号波形，重复的或不重复的，单次的或连续的。又由于所有采样点是以时间为顺序，因 而易于实现波形显示功能。 “实时采样”的主要缺点是时间分辨率较差。每个采样点的采入、量化、存储，必 须在小于采样间隔的时间内全部完成。若对信号的时间分辨率要求很高，比如采样间隔 只有几百或几十纳秒对，那么每个采样点的数字化工作就司= 能来不及做了。 “实时采样”除了通常使用的“定时采样”( 即“等间隔采样”) 外，还常常使用“变 步长采样”，即“等点采样”。这种采样方法不论被测信号频率为多少，一个信号周期 内均匀采样点数总共为n 个。由于采样信号周期随被测信号周期变化，故通常称为“变 1 0 中北大学学位论文 步长采样”。 2 、等效时间采样 “等效时间采样”技术可以实现很高的数字化转换速率。然而，这种技术要求信号 波形是可以重复产生的。由于波形可以重复取得，故采样可以用较慢速度进行。采样的 样本可以是时序的( 步进、步退、差频) ，也可以是随机的。这样就可以把许多采集的 样本合成一个采样密度高的波形。一般也常将“等效时间采样”称为“变换采样”。 2 3 2 量化与量化误差 1 、量化 量化就是把采样信号的幅值与量化单位比较。 量化单位q 定义为量化器满量程电压f s r ( f u us c a l er a n g e ) - 与2 “比【3 】 口= 等 c z ， 其中n 是量化器的位数。显然，量化器的位数越多，量化单位越，j , a d 的精度就越高。 在实际电路中，量化和编码是同时进行的。编码是把量化信号的电平用数字代码表示出 来，最常用的编码形式是二进制编码。 2 、量化方法 ( 1 ) “只舍不入”的量化 所谓“只舍不入”量化，是指信号幅度小于量化单位的部分，一律舍去。如图2 2 ( a ) 所示。 中北大学学位论文 x ；( n 图2 2 ( a 1 “只舍不入”量化过程 当0 三x ；( n t j q 时，x ；( n t s ) = 0 ；当q 三x s ( n t s ) 2 q 时，x , ( n t 0 = q ；当q - - x 。( n t s ) 3 q 时，x s ( n t s ) = 2 q ；等等。 ( 2 ) “有舍有入”的量化 “有舍有入”的量化是将采样信号幅值与量化电平相比较，如果它们的差值小于 q 2 ，则将这部分舍去，若大于或等于q 2 ，则将这部分计入。如图2 2 ( b ) 所示 图2 2 ( b ) “有舍有入”的量化过程 当0 - 1 m m h z ) 。 中北大学学位论文 a ，d 转换器的电气参数反映其性能特点，其主要的参数有以下几个： 1 、分辨率：反映转换器能够分辨的最小量化信号能力，即转换器输入满量程模拟 量能够被分离的级数； 2 、最大线性误差( 精度) ：输出数字量与理想值之间的最大偏差，由增益误差、非 线性误差等表示： 3 、精度温度系数：在规定温度范围内，单位温差所引起的a d 转换器精度的变化 量； 4 、静态功耗：规定负载下，转换器输出代码全为n 0 或1 1 时的最大功率； 5 、转换时间( 转换频率) ：完成一次a d 转换所需的时间； 6 、采样时间( 孔径时间) ：输入模拟信号被a d 转换器读出所需的时问； 7 、转换速率：转换器输出信号最大可能的变化速率； 8 、传输延迟：从采样时间的中, o n 转换器输出端产生数字输出瞬间的时间延迟， 在描述高速a d 转换器的交流特性时这是一项重要参数： 9 、电源电压灵敏度：又称电源电压抑制比，表示转换器对电源电压变化的灵敏度， 常以p p m + f s v 作单位表示。 3 2 1 高速a d 芯片t l c 5 5 4 0 【9 】 根据前文所提出的性能要求，系统中最高的采样频率为2 5 m h z ，为了实现这样的 高速采集，我们选择了t i 公司的模数转换器t l c 5 5 4 0 其最高采样速率可以达到4 0 m h z ， 图3 5 是它的引脚排列图。 中北大学学位论文 1 特点 八位分辨率 最高转换速率达4 0 m b p s 内部采样和保持功能 单电源工作+ 5 v 低功耗8 5 m y 模拟输入带宽大于7 5 m h z 内部基准电压产生器 2 、引脚功能 a g n d 模拟地 d g n d 数字地 v d d a 模拟电源 v d d d 数字电源 a n a l o gi n 模拟输入 o e 0 g n d d 1 ( l s b d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 8 ( m s b ) v d d d c l k 0 g k 0 r e f b 灵e f b s a g n 0 a g n 0 a n a l o g v d d a r e f t 祆e f t s v d d a v d d a v d d d 图3 5t l c 5 5 4 0 ；j i 脚排列图 c l k 时钟输入 o e 输出允许 d i d 8 数字输出 r e f br e f b s 基准电压底 r e f tr e f t s 基准电压顶 3 、数据采集时序图： t l c 5 5 4 0 是具有两个低比较器块的半闪速a t c ( 每四位一个比较器1 。 如图3 6 所示，输入电压1 在c l k l 的下降沿采入高比较器块和低比较器块1 ，高 比较器块在c l k 2 的上升沿最后确定高位数据，低比较器块1 在c l k 3 的上升沿最后确 定低位数据，高位数据和低位数据在c l k 4 的上升沿组合在一起并且输出。 勰孙挖魏姻褥汀蔼牾钳昭 ，2 3 4 5 6 7 8 9 尬”他 中北大学学位论文 山。x 厂 厂 厂 厂 广 岫肌八：夕：厂l s d i - d s 二二二二二二二二二二二= ( 二 0 e 厂 o u t p u t 输入电压2 在c l k 2 的下降沿被采样，高位数据在c l k 3 的上升沿最后确定，低位 数据在c l k 4 的上升沿由低比较器块2 最后确定，高位数据和低位数据在c l k 5 的上升 沿组合在一起并输出。 根据上面所述的内部操作过程，输出数据滞后模拟输入电压采样点2 5 个时钟。每 3 2 2t l c 5 5 4 0 的外围电路设计 t l c 5 5 4 0 的模拟信号的输入范围可以由r e f b ( 参考电压底) 和r e f t ( 参考电压 顶) 来确定，我们选用其内部参考电压的外围电路连接，在器件内部有三个电阻分别连 接在v d d a 和r e f t s ，r e f f 和r e f b ，r e f b s 和a g n d 之问，内部的电阻使得电压参考 端r e f t = 2 。6 v ，电压参考端r e f b = 0 6 v 。模拟电压的输入范围是2 v 。在这样的参考电 压设计下，芯片的外围电路如图3 7 所示，各个参考点的电压也在图中给予标明。 2 7 中北大学学位论文 5 0 1u f o 1u f 3 1 3 数据存储电路 t l c 5 5 4 0 1 8 。r 。1 。蚰。m d | 12 6 3 v d 。 墨r r e f 2 7 0 0 n o m 划o 6 1v d c 2 2 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ r 2 78 0 i 2 n o 啊 鱼一 图3 7t l c 5 5 4 0 外围电路连接 3 3 1 数据存储方案的比较和确定 在高速数据采集电路的实现中，有两个关键的问题：一是模拟信号的高速转换；二 是变换后数据的存储及提取。根据前文的分析，t l c 5 5 4 0 的采样速度最高可达4 0 m h z 完全可以满足数据采集系统的设计要求，故现在首要解决的关键问题是与存储器的配合 问题。在数据采集电路中，有以下几种存储方案可供选择【l o 】f 1 3 。 1 、静态r a m 实时存储 使用静态r a m 存储的原理是由地址发生器产生的地址信号选择对应的存储单元， 将对应的数据实时存入存储单元，使用静态存储器( s r a m ) 进行实时存储的特点是使 用最低的价格获得高的存储深度，有最高的( 单位速度x 单位存储深度) 价格比，但它的 缺点是不易形成高的存储速度，当存储速度上升，成本增加很快。 中北大学学位论文 2 、分时存储方案 分时存储方案的原理是将高速采集到的数据进行分时处理，通过高速锁存器按时序 地分配给n 个存储器。虽然电路中增加了s r a m 的片数，但使存储深度增加了。用低 价格的s r a m 构成高速数据存储电路，能够获得较高的( 单位速度单位存储深度) 价格 比。但由于电路单数据口的特点，不利于数据的实时处理，并且为使数据被锁存后留有 足够的时间让存储器完成数据的存储，需要产生特殊的写信号线。 3 、双端口存储方案 双端口存储器的特点是，在同一个芯片里，同一个存储单元具有相同的两套寻址机 构和输入输出机构，可以通过两个端口对芯片中的任何一个地址作非同步的读和写操 作，读写时间最快达到十几个n s 。当两个端口同时( 5 n s 以内) 对芯片中同一个存储单元 寻址时，芯片中有一个协调电路将参与协调。双端口存储器方案适用于小存储深度、数 据实时处理的场合。由于双端口存储器本身具备了两套寻址系统，在电路的设计时，可 以免去在数据存储和读取时对地址时钟信号的切换问题的考虑，使数据变得简单和快 捷。 4 、先进先出存储方案 先进先出( f i f o ) 存储器也是近几年面市的一种特殊存储器件，其特点是在同一个 芯片里的同一个存储单元配备有两个口：一个是输入口，只负责数据的写入：另一个是 输出口，只负责数据的输出。另外，在对这种存储器进行读和写的操作时不需要地址线 参与寻址，它的数据是按照一种环行结构依次存放的。先进先出( f i f o ) 存储器的另一个 与传统存储器不同的地方是传统存储器的一个存储单元中只要写入一个数据后，这个数 据将一直保存，直到下一个新的数据将其覆盖，无论这个存储单元中的数据被读取过多 少次也是如此。而先进先出( f i f o ) 存储器中的存储单元则不是这样，写入的数据一旦被 读取后，则这个数据将永久消失。所以，一般先进先出( f i f o ) 存储器都是有“空”和 “满”的标志位表示先进先出( f i f o ) 存储器内部的状态。先进先出( f i f o ) 存储器方案 中北大学学位论文 适用于小存储深度，数据需实时处理的场合【l l 】。 对用户而言，存储器的存储速度和存储容量是一对矛盾体：双口r a m 和f i f o 可 以实现很高的存储速度，适合高速数据采集的设计方案一，但其存储容量难以满足对较 大量的数据存储的需求；一般的静态r a m 虽然速度有限，但其存储深度却是双口r a m 和f i f o 难以企及的，并且在价格上是占绝对优势的，非常适合高速数据采集方案二的 使用，但它的硬件复杂度会有所提高，而根据我们选择的总体硬件方案三，在每次采集 时的速度并不是很高，因此，为了达到最大的性能价格比，我们的设计是采用r a m 的 实时存储方案，也就是数据存储的第一个方案。 3 3 2 静态存储器c y 7 c 1 0 9 c y 7 c 1 0 0 9 及存储电路的设计【1 2 j c y 7 c 1 0 9 c y 7 c 1 0 0 9 的管脚图如图3 8 所示。 1 、特性参数 高存储速度 一t a a ( 从地址到数据有效时间) = l o n s 低工作功率 一1 0 1 7 m w ( 在最高工作频率下) 低c o m s 静态功率 一5 5 m w ( 最大值) ，4 m w ( 低功耗版本) 当未被选中时自动关闭 与1 t r l 兼容输入输出电平 图3 8c y 7 c 1 0 9 引脚图 2 、存储器功能描述： c y 7 c 1 0 9 c y 7 c 1 0 0 9 是8 位1 2 8 k 容量的高性能c o m s 静态存储器。使用片上所 =耋；啦砸札船抽帅琵羞|忉慨忸慨 sj引拈”拍抖船篮纠伸懈仃 ，3 4 5 6 7 8 9坩”惶b饵瞄惦孵肼m肥们肺舳似m船朋觚胁唧胁粕 中北大学学位论文 提供的低电平使能端( c e l ) 和高电平使能端( c e 2 ) 以及输出使能端( o e ) 和三态驱 动，很容易进行扩展。 当芯片使能端1 ( c e x ) 和写有效信号( w e ) 输入为低，同时芯片使能端2 ( c e 2 ) 为高时，数据就被写x n 地址线( a o a 1 6 ) 所对应的存储单元。 在使芯片的使能端1 ( c e 】) 和输出使能( 0 e ) 为低，把写有效端( ，、e ) 和芯片 使能端2 ( c e 2 ) 为高时，当前地址线所对应的存储器中的数据就被输出到i ，o 引脚上。 当芯片未被选中，也就是c e l 置高或c e 2 置低时，芯片的8 个输入输出引脚( i o o f 0 7 ) 会呈现高阻态。芯片在o e 置高或在一个写操作过程中也就是c e l 为低，c e 2 ，为 高，并且删e 为低时，就会不能工作。 3 、存储电路的设计 使用单路的a ，d 和其对应的存储芯片，具有连接电路简单，控制方便的特点，只要 将存储器的地址端a o 诅1 6 对应地连接到逻辑控制电路中生成的地址信号q o q 。6 上，将 使能端和写有效端给单片机和控制逻辑进行控制，就可以进行对应的存储数据和读取数 据的操作了，同时可以将地址端的引脚在需要的位置反馈给控制电路，这将在后面的地 址电路的生成里详细叙述。这部分的详细电路参见附录的整体电路原理图。 3 4 单片机及其控制设计 单片机控制部分包括系统清零和读出数据，本系统采用内置4 k b 可擦写闪存的 a t 8 9 c 5 1 单片机，它的指令系统与m c s 5 1 完全兼容，存储器采用电擦写模式。其主要 作