CPLD為控制核心16位高精度數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

1 引言

　　CPLD ( Complex Programmable Logic Device ) 是新型的可編程邏輯器件，與傳統(tǒng)ASIC相比，具有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于產(chǎn)品的樣品開(kāi)發(fā)和小批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表多以單片機(jī)為控制核心，芯片集成度不高，系統(tǒng)連線復(fù)雜，難以小型化，尤其在產(chǎn)品需求發(fā)生變化時(shí)，不得不重新布版、調(diào)試，增加了投資風(fēng)險(xiǎn)和成本。而采用CPLD進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，可以靈活地進(jìn)行模塊配置，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，也有利于數(shù)字電壓表向小型化、集成化的方向發(fā)展。

　　2系統(tǒng)原理及組成

　　系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)的控制核心是一片CPLD芯片，它由三個(gè)功能模塊構(gòu)成： A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制模塊、碼制變換模塊以及顯示控制/驅(qū)動(dòng)模塊。三個(gè)模塊的功能分別為發(fā)出控制信號(hào)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換及讀取采樣值、對(duì)AD采樣值進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換、發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED/LCD顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)工作原理：測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理，變換為0～2.5V范圍內(nèi)的有效信號(hào)后送入A/D轉(zhuǎn)換電路中，然后A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制模塊發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，A/D采樣得到的數(shù)字信號(hào)在碼制變換模塊中轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的顯示代碼，最后經(jīng)顯示控制/驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出控制與驅(qū)動(dòng)信號(hào)，推動(dòng)外部的顯示模塊（LED/LCD）顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　3CPLD功能模塊設(shè)計(jì)

　　智能數(shù)字電壓表的控制核心CPLD的三個(gè)功能模塊皆用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，下面主要介紹CPLD的三個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。

　　3.1 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序仿真模塊AD_CONTROL

　　ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的AD7715是一片16位的∑-Δ ADC集成電路。它的主要特性有：3V/5V工作電壓，單／雙極性輸入；可編程改變?cè)鲆鏋?，2，32，128倍；在單極性輸入狀態(tài)下模擬電壓輸入范圍允許為0～20mV, 0～80mV, 0～1.25V, 0～2.5V不等（有利于提高精度）；三線串行接口；支持差分輸入；低功耗（450 mF [email=Max@3V]Max@3V[/email]）。在本系統(tǒng)中AD7715的作用是將0~2.5V的輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為16位的高精度的數(shù)字信號(hào)供CPLD處理。AD_CONTROL模塊用于控制AD7715的啟動(dòng)、讀、寫(xiě)等操作。設(shè)計(jì)的AD_CONTROL模塊如圖2所示，其VHDL語(yǔ)言的ENTITY定義部分如下：

　　如圖所示，二者的接口信號(hào)線直接連接并由AD_CONTROL模塊模擬產(chǎn)生AD7715芯片的各個(gè)接口信號(hào)，完成ADC的啟動(dòng)、讀、寫(xiě)操作。AD7715的工作模式由內(nèi)部寄存器（Communications Register，Setup Register，Test Register，Data Register）中的控制字決定。內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)寫(xiě)入和讀出都由CS，DRDY，SCLK信號(hào)控制。當(dāng) AD7715被訪問(wèn)時(shí)，SCLK腳應(yīng)出現(xiàn)一次帶上升沿的高電平，其時(shí)鐘頻率應(yīng)為9.2kHz。這是關(guān)鍵信號(hào)，其他信號(hào)均以此信號(hào)作為時(shí)基。因此，CPLD中的AD_CONTROL模塊的功能之一就是提供SCLK 以及其他信號(hào)的嚴(yán)格時(shí)序。圖3、圖4分別為AD_CONTROL模塊讀、寫(xiě)AD7715時(shí)序圖。