CPLD在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

　 CPLD是復(fù)雜的PLD，專指那些集成規(guī)模大于1000門以上的可編程邏輯器件。它由與陣列、或陣列、輸入緩沖電路、輸出宏單元組成，具有門電路集成度高、可配置為多種輸入輸出形式、多時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、內(nèi)含ROM或FLASH(部分支持在系統(tǒng)編程)、可加密、低電壓、低功耗以及支持混合編程技術(shù)等突出特點(diǎn)。而且CPLD的邏輯單元功能強(qiáng)大，一般的邏輯在單元內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)，因而其互連關(guān)系簡(jiǎn)單，電路的延時(shí)就是單元本身和集總總線的延時(shí)(通常在數(shù)納秒至十?dāng)?shù)納秒)，并且可以預(yù)測(cè)。所以CPLD比較適合于邏輯復(fù)雜、輸入變量多但對(duì)觸發(fā)器的需求量相對(duì)較少的邏輯型系統(tǒng)。

　　MAX7000系列產(chǎn)品與高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求相符，十分適合于高速設(shè)計(jì)。由MAX7000系列CPLD設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在電力系統(tǒng)某精確故障定位系統(tǒng)中。

　　1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　對(duì)于一般的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，除了采用高速的A/D轉(zhuǎn)換器、高速存儲(chǔ)器等高速器件之外，還要解決如何高速尋址、如何控制總線邏輯、如何進(jìn)行高速存儲(chǔ)以及如何方便地與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)等問(wèn)題。這些問(wèn)題都是設(shè)計(jì)一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所要共同面對(duì)的問(wèn)題。兼顧這些共性問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一套以精確故障定位為目的的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。在沒(méi)有故障發(fā)生的時(shí)候，輸入的模擬量通過(guò)高速AD芯片AD9225(其轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到25MSPS，分辨率為12位)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過(guò)CPLD構(gòu)成的數(shù)據(jù)總線控制器，以高4位和低8位的形式分別存儲(chǔ)在兩片橫向并聯(lián)的緩沖RAM 628512(存儲(chǔ)時(shí)間為70ns)中。存儲(chǔ)地址由CPLD構(gòu)成的地址發(fā)生器產(chǎn)生，地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址范圍可由存儲(chǔ)器的容量決定。地址產(chǎn)生器循環(huán)計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)。此間的運(yùn)行完全不需要CPU控制，系統(tǒng)硬件可自動(dòng)完成高速數(shù)據(jù)采集，使硬件的高速性能得到充分運(yùn)用。CPU2采用AD公司的AduC812，它本身就是全集成的高性能12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)部集成了1個(gè)12位的ADC。當(dāng)其檢測(cè)到輸入的模擬量發(fā)生了突變時(shí)，再經(jīng)過(guò)預(yù)定的持續(xù)采集時(shí)間后，給出觸發(fā)信號(hào)到數(shù)據(jù)總線控制器和地址總線控制器，由CPU2取得數(shù)據(jù)總線和地址總線控制權(quán)，然后通過(guò)雙口RAM2以及CPLD構(gòu)成的ISA總線接口，將緩沖RAM 628512中的數(shù)據(jù)傳入PC機(jī)。再聯(lián)合由GPS、CPU1和雙口RAM1構(gòu)成的精確授時(shí)系統(tǒng)，就可用于精確故障定位或故障錄波了。

　　2 MAX7000系列CPLD及其開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹

　　由于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特殊要求，在眾多的CPLD器件中，選擇了ALTERA公司的MAX系列器件。MAX系列的高性能和高密度是基于它先進(jìn)的MAX(MulTIple Array Matrix--多重陣列矩陣)架構(gòu)，因此為高速應(yīng)用提供了非常高的性價(jià)比。MAX7000系列還提供了業(yè)界速度最快的可編程邏輯解決方案。它基于CMOS EEPROM工藝，傳播延遲最小為3.5ns，可以實(shí)現(xiàn)速度高于200MHz的計(jì)數(shù)器，并且為高密度的器件提供了非常寬的選擇余地，十分適合高速設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用。該公司的MAX+plusII軟件是一款易于使用的開(kāi)發(fā)工具，其界面友好，集成化程度高，兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，支持FLEXMAXACEX 1K等系列產(chǎn)品。并且為大學(xué)提供了學(xué)生版軟件，在功能上與商業(yè)版類似，僅在可使用的芯片上受限制。由于MAX7000系列的這些優(yōu)點(diǎn)，以下的設(shè)計(jì)都基于MAX7000系列產(chǎn)品。

　　3 CPLD在高速尋址中的應(yīng)用

　　一般的數(shù)據(jù)采集均需由CPU將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀入，然后再轉(zhuǎn)存到片外的存儲(chǔ)器中，這樣至少需要4個(gè)機(jī)器周期。如果按照一般一個(gè)機(jī)器周期為1μs，那么最高采樣率只能達(dá)到250kHz，絕難滿足高速采樣的需要。在本系統(tǒng)中，直接將采樣數(shù)據(jù)存到高速緩沖RAM中，而存儲(chǔ)器尋址則采用ALTERA公司的EPM7032LC44-6構(gòu)成的地址發(fā)生器來(lái)完成。寫(xiě)信號(hào)可采用A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)，但需經(jīng)過(guò)一系列分頻及邏輯組合，也可另由電路產(chǎn)生或放在地址發(fā)生器中。EPM7032LC44-6構(gòu)成地址發(fā)生器的基本原理是采用5片級(jí)聯(lián)的74161組成20位的同步計(jì)數(shù)器，第20位接在高速緩沖RAM的片選線上，用來(lái)切換緩沖存儲(chǔ)器組。用CPU2的P1.7控制計(jì)數(shù)允許端，異步清零，則20位地址線輸出保持同步。其具體的實(shí)現(xiàn)可以采用圖形編輯輸入或者文本編輯輸入的方法。下面給出其VHDL語(yǔ)言程序。

　　其仿真結(jié)果如圖2所示。

　　4 CPLD構(gòu)成數(shù)據(jù)總線控制器

　　在這個(gè)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了提高數(shù)據(jù)傳輸和尋址的速度，在正常采樣期間，其數(shù)據(jù)總線和地址總線并不需要CPU控制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是由系統(tǒng)硬件自動(dòng)完成的。但當(dāng)CPU2監(jiān)測(cè)到輸入模擬量的突變時(shí)，再經(jīng)過(guò)預(yù)定的一段持續(xù)采樣時(shí)間后，就會(huì)發(fā)出控制信息給地址發(fā)生器和數(shù)據(jù)總線控制器，停止繼續(xù)存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)和自動(dòng)產(chǎn)生地址，而由CPU2取得總線的控制權(quán)，對(duì)處在高速緩沖RAM中的故障前后數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。為避免總線沖突，就需要一塊數(shù)據(jù)總線的控制器處理好系統(tǒng)總線和局部總線的關(guān)系。

　　EPM7064可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。在EPM7064的內(nèi)部，用三態(tài)門將CPU2的讀寫(xiě)控制線、8根數(shù)據(jù)總線以及AD9225的12根數(shù)據(jù)線及一根溢出線與控制高速緩沖RAM的讀寫(xiě)控制線和數(shù)據(jù)線隔離開(kāi)來(lái)，由CPU2的P1.7作為CPU2或高速A/D控制總線的控制信號(hào)線，這樣就能方便地實(shí)現(xiàn)緩沖RAM數(shù)據(jù)線訪問(wèn)控制權(quán)的切換。考慮篇幅，不再詳細(xì)給出實(shí)現(xiàn)程序。地址總線控制邏輯實(shí)現(xiàn)方法類似，不再介紹。

5 CPLD構(gòu)成的ISA總線接口

　　在PC系列機(jī)中，I/O空間是獨(dú)立的，共有1KB(地址編號(hào)為000H~3FFH)。由于I/O接口一部分分布在主機(jī)母板上，另一部分分布在擴(kuò)展槽上，所以I/O的1024個(gè)口地址也分成兩個(gè)部分，其中前512個(gè)由母板上的接口控制器使用，后512個(gè)供擴(kuò)展槽內(nèi)的接口控制卡使用。而且由于后512個(gè)地址中的一部分已經(jīng)被配置成系統(tǒng)資源的接口，所以真正能被用戶設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的I/O端口為數(shù)不多，而且不連續(xù)。這樣就不能采用常規(guī)的用PC機(jī)提供的地址總線來(lái)尋址雙口RAM的方法，因?yàn)檫@種方法只能尋址其中為數(shù)不多而且不連續(xù)的一些單元。所以這是一個(gè)難點(diǎn)。為此，采用用PC機(jī)的數(shù)據(jù)線來(lái)尋址雙口RAM的方式，只需占用三個(gè)I/O端口，就能尋址整個(gè)4K的RAM區(qū)。

　　ISA總線接口電路邏輯框圖如圖3所示。

　　采用了ISA插槽中的8位數(shù)據(jù)線、10位地址線、讀寫(xiě)控制線IOW和IOR以及電源線，并假設(shè)使用390H、391H、392H三個(gè)端口。當(dāng)PC機(jī)要訪問(wèn)某一地址單元時(shí)，首先通過(guò)390H端口將低8位地址送到數(shù)據(jù)總線上。此時(shí)由PC-AB送出的390H信號(hào)和IOW信號(hào)經(jīng)解碼電路輸出一個(gè)鎖存脈沖到鎖存器(L),將此低8位地址鎖存；然后通過(guò)391H端口將高4位地址送到數(shù)據(jù)總線上，此時(shí)由PC-AB送出的391H信號(hào)和IOW信號(hào)經(jīng)解碼電路輸出一個(gè)鎖存脈沖到鎖存器(H),將此高4位地址鎖存；最后通過(guò)392H端口進(jìn)行讀寫(xiě)，只要PC-AB上出現(xiàn)392H信號(hào)，解碼電路就輸出一個(gè)低電平到雙口RAM的/CS,再根據(jù)相應(yīng)的讀寫(xiě)控制信號(hào)就能進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　用ALTERA公司的EPM7064SLC84-5實(shí)現(xiàn)這一接口的VHDL文件如下：

　　仿真結(jié)果表明此電路設(shè)計(jì)完全可以實(shí)現(xiàn)上述功能。PC機(jī)使用端口392H讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)時(shí)的仿真圖如圖4所示。

　　CPLD是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域的一門新技術(shù)，它提供了基于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，提高了設(shè)計(jì)電路的集成度和可靠性。筆者在將ALTERA公司推出的MAX7000系列產(chǎn)品應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集方面做了嘗試，具體使用EPM7032和EPM7064設(shè)計(jì)了地址發(fā)生器、數(shù)據(jù)總線控制器和ISA總線的接口，目前已經(jīng)將其應(yīng)用在電力系統(tǒng)某精確故障定位系統(tǒng)中。