一種基于CPLD的數據采集控制板的設計

摘要：針對多種采集信號類型，設計了一種采用CPLD實現信號采集控制、信號處理、通訊及輸出控制等功能的復合數據采集控制板，并分析了其相關應用性能。

關鍵詞：CLPD EPP接口 編碼器 數據采集

在需要采集多路模擬信號、開關信號、頻率（計數）信號以及編碼器信號等的數據采集應用中，利用通用板卡構成計算機測控系統(tǒng)是可行的，但對于產品的批量應用，其成本與綜合性能不能令人滿意。技術成熟的CPLD芯片的應用，可以很好地將邏輯控制、數據信號處理等功能集于一身，使以往需要利用多塊信號板卡才能完成的任務整合于同一采集控制器中，從而有效地提高控制系統(tǒng)的可靠性，降低測控系統(tǒng)的實現成本。

本文設計一種基于CPLD的數據采集控制板。它能實現信號采集與控制、信號處理、通訊及輸出控制等功能。

1 總體設計方案

本專用數據采集控制板利用CPLD作為主控制器，統(tǒng)一協(xié)調通道切換與數字信號處理、實現數據采集與接口傳輸邏輯控制。該數據采集控制板共有四種類型的信號輸入和一種開關信號量輸出。圖1給出其基本硬件模塊組成。

利用CPLD的資源和結構特點是本設計的核心。為提高編碼器輸入信號的分辨細長，配套設計一個四倍頻電路，并在通道后端設計一個脈沖靜態(tài)計數電路，使輸入信號轉換為8bit信號掛接到采集板總線上。八路模擬輸入信號主要依靠CPLD實現通道切換和A/D采集，采樣數據也以8bit信號并行進入總線?？紤]到提高計數精度的要求，對兩路頻率輸入信號設計了一個動態(tài)計數電路，使計數值通過總線讀出。I/O切換控制、EPP接口電路等都按一定的邏輯要求采用同一CPLD元件來實現。如此可使硬件電路十分簡單，并有利于上位機編程實現。

2 數據接口

根據IEEE1284標準，在標準并行口（SPP）、增強并行口（EPP）和擴展并行口（ECP）三種模式中，EPP模式既具有雙向數據傳輸功能，又具有較高的數據傳輸能力，且編程操作相對容易，最適合在數據采集系統(tǒng)中使用。

從硬件設計角度考慮，EPP接口的主要功能之一是將采集到的數據上傳給微型計算機或將開關控制命令下載到采集控制板（數據流對應8bit數據端口）；之二是實現硬件接口之間的信號通訊握手（控制狀態(tài)對應其它I/O端口）。EPP協(xié)議定義了四種數據傳輸基本操作：數據讀、數據寫、地址讀、地址寫。工作時首先寫入I/O鎖存地址即模塊操作的I/O地址，然后進行相應的讀出或寫入操作。如果不需I/O地址變化，那么就不再進行I/O地址鎖存操作。EPP模式下一共定義17根信號線，除8根雙向地址線和數據復用線外，還有輸出控制信號線WRITE、DSTROBE、ASTROBE、INIT，其中WRITE、DSTROBE和ASTROBE用于表示數據讀寫操作。WRITE為低時表示正在進行操作，DSTROBE為低表示進行數據操作，而ASTROBE為低則表示進行地址操作。EPP的INIT信號用來復位打印機，本設計用來預置光電編碼器的初始計數值。另外還有五根狀態(tài)信號線。WAIT信號由外設發(fā)出，高電平表示正在進行讀寫操作，低電平表示操作完成。但本設計沒有利用該信號，因為前面三個讀寫信號已完全能滿足要求。MAX197數據轉換結束信號EOC連接到并口的SELECT線上，主機查詢到SELECT線為低時，表示一次A/D轉換結束，可以讀取轉換結果。其余三根狀態(tài)線空置作為備用。

圖4

根據IEEE1284標準對EPP模式的地址、數據讀寫操作的規(guī)定，可采用圖2的邏輯結構分別實現地址寫、數據寫和數據讀。在圖2中，輸入信號中的STB表示寫信號，ASTB表示地址寫信號，DSTB表示數據寫信號；輸出信號中Add_WR表示地址寫信號、高電平有效，Add_WRN表示地址寫信號、低電平有效，Data_WR表示數據寫信號、高電平有效、Data_WRN表示數據寫信號、低電平有效；Data_RD表示數據讀信號。如此設計的目的是使該接口能方便地適應各種邏輯器件的操作要求。圖3給出了采用MAXPLUS軟件對上述邏輯信號進行仿真的操作時序波形。

EPP模式可在上位機BIOS中設置或通過寫ECR寄存器直接設置（并行適配器基地址為0X378H，I/O端口地址為77AH）。

圖5

3 編碼器信號處理

對于編碼器輸入信號，針對增量式光電編碼器的輸出具有A相、B相方波正交信號，而且二者相序取決于編碼器的正反轉方向，設計了一種四倍頻及判向電路，如圖4所示。

在圖4中，CLK信號來自獨立振蕩源，其頻率高于編碼器最大輸出頻率四倍以上，但也不宜過高，以免導致CPLD內部結構中信號競爭等問題。INA和INB分別為編碼器輸入的A相信號和B相信號，CNT_UP和CNT_DN分別為輸出的正轉倍頻信號和反轉倍頻信號。為保證編碼器處于任何轉角位置都能可靠地讀出數據，編碼器倍頻信號最終以16bit靜態(tài)計數碼方式輸出，CNT_UP和CNT_DN分別作為后續(xù)靜態(tài)計數電路的“加”和“減”計數輸入信號端。在限定轉動角度≤6360情況下，對于16bit計數碼，計數電路允許的最大計數值為65536，計數值可以按高低八位分兩次讀出。為提高編碼器工作可靠性，也可以考慮進行格雷碼轉換。圖5給出的是圖4電路的信號仿真波形。

4 頻率測量

對于頻率輸入信號，采用等精度測頻方法測量頻率。這種方法在實際閘門時間為被測信號頻率整數倍的條件下，對被測信號計數時產生的1個字誤差可以完全消除掉，并可使整個頻率區(qū)域保持恒定的測試精度。

圖6給出了等精度測量原理圖，其測量原理為：首先給出閘門開啟信號（預置門控信號SWITCH的上升沿），此時計數器CNT1和CNT2并不開始計數，而是等到被測信號SIGIN的上升沿到來時，計數器才開始真正計數。經過一段時間后，預置閘門關閉信號（門控信號SWITCH的下降沿）到來時，計數器并不立即停止計數，而是等到被測信號SIGIN的上升沿到來時才結束計數，完成一次測量過程。此時可分別讀出計數器CNT1和CNT2的計數值OUT1和OUT2，用被測信號SIGIN的計數值OUT2除以標準信號CLK的計數值OUT1，再乘以標準信號CLK的頻率值就得到了被測信號SIGIN的頻率值。

使用時為提高測量精度，基準信號CLK可以采用高精度的時鐘源，因對時鐘源和被測信號同步計數，計數時間長度不會影響計算結果。圖7給出了等精度測頻法信號仿真波形圖。

圖7

5 A/D轉換器與I/O切換控制

對于模擬輸入信號，采用12bit的MAX197作為A/D信號轉換器。該控制字器件工作的基本過程是：首先由地址總線選通MAX197，然后通過數據總向MAX197內部寄存器寫入模擬通道控制字。該控制字決定了所選的通道號、通道輸入電壓范圍、極性以及內部或外部觸發(fā)采集方式等。例如，輸入電壓范圍為雙極性、內部觸發(fā)采集方式、第一通道，則應寫入16進制數48H，而對第八通道則寫入4FH。控制字寫入后，MAX197立即啟動通道轉換，經過約10μs后轉換完畢。轉換結果放置在數據總線上，首先將其高低位切換腳HBEN置為低，此時數據總線先讀取結果的低八位，再置HBEN為高，則結果的高四位放在MAX197的D0～D3口上。同時置腳INT為低，通知控制器轉換完成。MAX197的轉換結果用補碼表示，最高位為符號位。

本系統(tǒng)中還具有八路開關量輸入輸出功能切換控制。這兩種功能分別則CPLD內部的74244和74373實現。接口邏輯和如圖8所示。外部接口通過光耦隔離輸入輸出。開關量寫入的順序是先由地址總線選通74373，然后寫入相應的命令字。數據量讀入與此類似。具體控制信號由EPP總線讀寫邏輯給出。

6 驅動軟件實現

考慮到NT公司LabView環(huán)境圖形化編程簡例、易于實現等特點，通過設計動態(tài)鏈接函數庫（DLL）與直接端口操作相結合實現采集板硬件驅動。在程序編制過程中，先利用VC++生成DLL，然后在LabView中使用CLF節(jié)點調用DLL。對于直接端口操作，使用LabView中的“In Port”和“Out Port”節(jié)點，對端口實現操作。當然，為使用方便起見，也可以將I/O切換控制、編碼器、A/D數據采集、計數器等硬件特有功能設計成專用模塊供LabView直接圖形化調用。

采集控制板的上述硬件模塊方案設計，可以利用適當規(guī)模的CPLD實現。此舉除了成本優(yōu)勢外，還有體積減少、硬件集成度提高等優(yōu)點，也為提高采集器可靠性創(chuàng)造了條件。CPLD的各種邏輯功能設計，由于有功能強大的仿真軟件工具，設計過程的快速高效也不言而喻。上述設計已經在其實用測控設備中投入應用，在無板載FIFO情況下，A/D速度可以達到40kHz以上；有板載FIFO情況下，A/D速度可以達到A/D采集元件標稱上限。EPP端口完全能滿足板載功能模塊的各類數據傳輸要求。通過現場反饋的情況來看，采集控制器本身的工業(yè)環(huán)境抗干擾性能和運行穩(wěn)定性均表現良好。