【正文】 C 總線通過(guò)上拉電阻接正電源。因此，我們還必須針對(duì) FOGA 的 IO口進(jìn)行編程，已滿足系統(tǒng)目標(biāo)的要求。如此分析下來(lái)，我們選擇狀態(tài)機(jī)作為 AD7416 的狀態(tài)控制器，來(lái)完成我們?cè)O(shè)定的目標(biāo)。檢測(cè)到 AD7416 的響應(yīng)信號(hào)后， FPGA 立即選擇溫度寄存器（地址 00H），接收AD7416 檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)。AD7416 有兩者工作方式，在此我們選擇第一種，指令代碼是“ 18H”。 圖 AD7416 溫度測(cè)量電路 通過(guò) FPGA 控制 AD7416，需如下幾個(gè)步驟 [14]： （ 1）首先 FPGA 向 AD7416 發(fā)送初始化指令， AD7416 的初始化相對(duì)簡(jiǎn)單，只需發(fā)送相應(yīng)系統(tǒng)初始化指令即可。此芯片是 8 腳貼片式封裝，由第二節(jié)可知，其 2 腳為遵循 I2C 通信協(xié)議的串行信號(hào)、時(shí)鐘總線， 7 腳為數(shù)據(jù)輸入線。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了現(xiàn)有成熟的設(shè)計(jì)資源，但對(duì)于這種方法得到的電路，不宜于仿真時(shí)信號(hào)的觀測(cè)，給仿真帶 來(lái)一定的困難。但語(yǔ)言輸入必須依賴綜合器，只有好的綜合器才能把語(yǔ)言綜合成優(yōu)化的電路。一般如果對(duì)系統(tǒng)了解很深，并且系統(tǒng)速率的要求較高，或這系統(tǒng)中如果時(shí)間特性要求較高，就可以采用這種方法。 10 3. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)平臺(tái) Quartus II 簡(jiǎn)介 軟件設(shè)計(jì)的平臺(tái)是 Altera 公司的 Quartus II 開發(fā)系統(tǒng)， Quartus II[13]是綜合性的 PLD 開發(fā)軟件，支持原理圖，各種硬件描述語(yǔ)言以及多種設(shè)計(jì)輸入形式，自身帶有綜合器和仿真器，可以完成從硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，仿真到硬件配置的完整設(shè)計(jì)流程。圖 為系統(tǒng)供電電路。 7V 為電源轉(zhuǎn)換電路的 供電電壓。采用串行通信協(xié)議可以降低 FPGA 與上位機(jī)通訊設(shè)計(jì)的難度，提高系統(tǒng)的可靠性。綜合上述原因，我們?cè)诖诉x用JTAG 配置模式。針對(duì)前兩者（ AS和 PS 模式）而言，都需要配置芯片輔助 FPGA。 Adc0809 EPM1270 7 圖 LCD12232 接口電路 （ 4） FPGA 配置接口設(shè)計(jì) FPGA 有三類配置下載方式 [11]：主動(dòng)配置方式 (As)和被動(dòng)配置方式 (PS)和最常用的 (JTAG)配置方式。因而 LCD 的電路特性與實(shí)際上就是 SED1520 的電路特性。 START OE EOC D7D0 圖 ADC0809 與 FPGA 原理圖 圖中， D7~D0 是 ADC0809 的 8 位數(shù)據(jù)總線， START 為啟動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)，高電平時(shí)有效。片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，可控制 8 各模擬量中的一個(gè)進(jìn)入轉(zhuǎn)換器中。 FPGA 在接收由 AD7416 送出的數(shù)據(jù)時(shí)，必須按照 I2C總線協(xié)議的規(guī)定，產(chǎn)生特定的 CLK 信號(hào)（與 SCL 相接）送給 AD7416,然后按照制定的傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。串行總線地址的最低可編程位。串行總線地址的最高可編程位。信號(hào)在連續(xù)讀操作結(jié)束時(shí)重置。 2 SCL 數(shù)字輸入。其管腳結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 AD7416 管腳結(jié)構(gòu)圖 表 給出了 AD7416 的管腳說(shuō)明。 PC 機(jī) FPGA AD7416 鍵盤 ADC0809 顯示 顯示 串行通信 I2C 通信 RS232 5 2. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) FPGA 接口電路設(shè)計(jì) 從 第一節(jié)我們可以知道， FPGA 的任務(wù)是采集溫度，電壓，與上位機(jī)通訊，并將采集獲得的數(shù)據(jù)送往 LCD12232。上位機(jī)接收和控制界面的軟件應(yīng)用的是已有的串口調(diào)試軟件。 ADC080 RS232 在此不做贅述 。 具有低功耗、供應(yīng)電壓范圍寬等特點(diǎn)。其片上溫度傳感器可用 ～ 電壓供電。 4 溫度采集芯片 AD7416[8]是有 8 個(gè)管腳的溫度監(jiān)測(cè)器。其次， FPGA在體積方面有更高的優(yōu)勢(shì)，其可以同時(shí)達(dá)到體積小，引腳多即可以控制的信號(hào)路數(shù)多的要求。具體涉及的外圍電路中，電壓采集部分主要應(yīng)用 ADC0809作為數(shù)據(jù)采集芯片，對(duì)輸入的模擬量進(jìn)行 A／ D轉(zhuǎn)換；溫度采集部分主要由 AD7416作為數(shù)據(jù)采集芯片。 7. 能將采樣得到的數(shù)據(jù)送往 LCD 顯示。 3. 能對(duì)讀取的開關(guān)量進(jìn)行相關(guān)顯示。之所以選擇溫度與電壓，是因?yàn)閮烧呔哂泻軓?qiáng)的代表性。 第 5章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)結(jié)果，分析了采集結(jié)果并討論了采集結(jié)果是否符合要求。 第 1章系統(tǒng)分析及方案設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析，并介紹了整體設(shè)計(jì)方案的制定以及可靠性的設(shè)計(jì)和分析。它可以與微機(jī)通訊，建立設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，可測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的加速度、速度和位移，還可測(cè)量電壓信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，采樣頻率為 1Hz到 10KHz。 國(guó)內(nèi)方面 [5][6][7]，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)采集器與目前國(guó)外數(shù)據(jù)采集器相比，在技術(shù)上仍然存 在著一定的差距，主要表現(xiàn)在：①由于受國(guó)內(nèi)振動(dòng)等傳感器水平的限制，分析頻率范圍不寬，在工業(yè)方面給一些低速的機(jī)器或軸承的診斷等帶來(lái)了一定的困難；②由于數(shù)據(jù)采集器的內(nèi)存不大，數(shù)據(jù)采集器本身的信號(hào)處理功能不強(qiáng)，在現(xiàn)場(chǎng)只能做一些簡(jiǎn)單診斷，精密診斷需要離線到計(jì)算機(jī)上去做，現(xiàn)場(chǎng)精密診斷功能較弱； ○ 3 設(shè)備的軟件水平，仍在設(shè)備維修管理和基本頻譜分析上徘徊，機(jī)器故障診斷專家系統(tǒng)還需完善，軟件人機(jī)界面有待改進(jìn)④設(shè)備的性能與成本的協(xié)調(diào)還缺乏一定的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)外的數(shù)據(jù)采集方面的研究主要著重于傳感器，高精度、高速度的傳感器層出不窮而且在價(jià)格上有了很大進(jìn)步。國(guó)外方面 [2][3][4]，隨著國(guó)外微電子技術(shù)、計(jì)數(shù)機(jī)技術(shù)、測(cè)控技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)外數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)較初期有了很大的發(fā)展。數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，是以傳感器、信號(hào)測(cè)量與處理、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用型技術(shù)。數(shù)據(jù)采集作為現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)，己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究的諸多領(lǐng)域。從近來(lái)國(guó)外公司展示的新產(chǎn)品可以看出，主要的發(fā)展可以概括為功能多樣，體積減小和使用方便等三個(gè)方面。比如美國(guó)尼高力儀器技術(shù)公司 08年生產(chǎn)的 2700型 數(shù)據(jù)采集器，完美地將數(shù)據(jù)記錄儀、程控開關(guān)與數(shù)字表的優(yōu)勢(shì)集于一身，是一 款高精度、多功能、使用方便的多路數(shù)據(jù)采集器。近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家在研制和使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面發(fā)展較為迅速，儀器的性能先進(jìn)，使用范圍廣，且 2 耐用可靠，但價(jià)格較為昂貴，在測(cè)量功能、測(cè)量通道和數(shù)據(jù)齊全等方面存在不同程度的缺陷。在經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集行業(yè)產(chǎn)品的性能、價(jià)格和功能了解，其大概情況是，國(guó)外的數(shù)據(jù)采集器的精度高，速度快，功能強(qiáng)大，但是價(jià)格比較昂貴，并且一般來(lái)說(shuō)體積都比較大 ，操作也復(fù)雜，可再編程能力比較弱。 第 2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括各部分接口設(shè)計(jì)以及 PCB設(shè)計(jì)。 第 6章總結(jié)與展望，對(duì)本次論文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)本次研究的不足進(jìn)行了總結(jié)。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，溫度和電壓也是非常重要的監(jiān)測(cè)對(duì)象，有很強(qiáng)的實(shí)用 性 。 4. 能實(shí)現(xiàn) LED 燈不同的頻閃。 完整的數(shù)據(jù)采集過(guò)程通常由數(shù)據(jù)的通道選擇、采樣、處理、顯示構(gòu)成，有時(shí)也要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。?shù)據(jù)處理部分則通過(guò)硬件設(shè)計(jì)來(lái)完成；按鍵控制部分利用 4個(gè)按鍵來(lái)控制080 AD7416轉(zhuǎn)換通道選擇；圖形顯示部分輸出當(dāng)前采集到的電壓、溫度值。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步， FPGA的產(chǎn)品不僅性價(jià)比高，同時(shí)可以在較惡劣的環(huán)境下完成其他數(shù)字器件所不能完成的任務(wù)。該溫度監(jiān)測(cè)器可通過(guò)多路復(fù)用器的 0 通道進(jìn)行訪問(wèn)。該裝置包含一個(gè)約 15μ s的轉(zhuǎn)換器， 5 通道多路復(fù)用器，溫度傳感器，時(shí)鐘振蕩器，跟蹤 保持器和一個(gè) 的參考電壓。具有 16mon 和 61segment 輸出，并可外接驅(qū)動(dòng) IC 擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)。圖 為系統(tǒng)框圖。 本章主要討論了系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)，及系統(tǒng)目標(biāo)的設(shè)定。 (1) 與溫度采集芯片接口設(shè)計(jì) AD7416 是 ADI 公司生產(chǎn)的 8 腳溫度監(jiān)測(cè)器。圖 為 FPGA 與 AD7416 的接口電路。串行總線時(shí) 鐘。漏極開路輸出。 6 A1 數(shù)字輸入。 8 VDD 正向供電電壓， ～ 。尤其要注意的是，由于 I2C 總線協(xié)議規(guī)定， SDA 雙向數(shù)據(jù)串行總線在一個(gè) SCL 內(nèi)只能傳輸一位數(shù)據(jù)，所以在匹配時(shí)鐘時(shí)要特別注意。轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100ms，含鎖存控制的 8 路多路開關(guān)，輸出由三態(tài)緩沖器控制，單 5V 供電。 OE 為 輸出使能信號(hào)，當(dāng)其為高電平時(shí)，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)傳入 8 位數(shù)據(jù)總線。 SED1520 的主要特性有：具有液晶顯示驅(qū)動(dòng)器， 16 路行驅(qū)動(dòng)輸出，級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn) 32 路行輸出；具有 61路列驅(qū)動(dòng)輸出，可通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn) 122 路列驅(qū)動(dòng)輸出；內(nèi)置時(shí)序發(fā)生器，可產(chǎn)生占空比為 1/16 和 1/32 兩者種；內(nèi)置顯示存儲(chǔ)器，顯示存儲(chǔ)器 內(nèi)的數(shù)據(jù)直接顯示。 AS 方式是由 FPGA 引導(dǎo)配置操作過(guò)程，就是本設(shè)計(jì)中所利用到的配置方式， FPGA 處于主動(dòng)地位，上電后 FPGA 引導(dǎo) FPGA 配置芯片 EPCS4 將存儲(chǔ)的程序加載給 FPGA，而不需要外部計(jì)算機(jī)或控制器進(jìn)行配置。并且兩者都存在這一定的模式缺陷，即不能在線調(diào)試，而 JTAG 模式可以在線調(diào)試。其接口電路如圖 所示。RS232 協(xié)議的信號(hào)電平必須在177。 5V 為 LCD12232，MAX232 的驅(qū)動(dòng)電壓。 圖 系統(tǒng)供電電源電路 本章小結(jié) 本章根據(jù)系統(tǒng)的制定方案，完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，如 FPGA 接口電路，系統(tǒng)供電電路，輔助電源的設(shè)計(jì)。Quartus II 同時(shí)支持 Altera 公司的 IP 核，包含了各種宏功能模塊庫(kù)，使用戶可以直接利用已經(jīng)經(jīng)過(guò)編譯的成熟模塊，如本設(shè)計(jì)中用到的雙口 RAM 模塊，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性，并且可以縮短設(shè)計(jì)的周期。原理圖輸入的缺點(diǎn)雖然仿真容易但是效率很低，但是這樣的方法便于信號(hào)觀察以及電路的調(diào)整，看起來(lái)也很直觀。對(duì)于大量的規(guī)范的、易于用語(yǔ)言描述、易于綜合的電路可以采用這種輸入方法。現(xiàn)實(shí)中為了保證設(shè)計(jì)的效率，功能的完整往往采用多種方法相結(jié)合的方式，而不是拘泥于某一種，例如本設(shè)計(jì)中就是利用前兩種方法相結(jié)合，在利用QuartusII 自身提供的相關(guān)模塊基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)其他模塊。 溫度測(cè)量方法是在不同的電流下測(cè)量當(dāng)前 VBE的變化。 （ 2） FPGA 檢測(cè)到 AD7416 返回的信號(hào)后，即通過(guò)“ write” 指令，選擇配置寄存器， AD7416 有六個(gè)寄存器，其地址從 00H 依次遞加至 05H。然后 FPGA 設(shè)定AD7416 的溢出溫度值。值得注意的是，根據(jù) I2C 總線協(xié)議， AD7416 傳送數(shù)據(jù)的第一位和最 后一位是數(shù)據(jù)最高位、結(jié)束標(biāo)志位，在數(shù)據(jù)接收結(jié)束后， FPGA 必須發(fā)送數(shù)據(jù)接收完畢信號(hào)給 AD7416，終止數(shù)據(jù)傳送，置數(shù)據(jù)總線為高阻態(tài)。 12 圖 給出了 AD7416 的功能模塊， 給出了 AD7416 的寄存器結(jié)構(gòu)圖。 I2C 總線 [15]是 PHLIPS 公司推出的一 種串行總線，是具備多主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。 圖 I2C總線關(guān)于數(shù)據(jù)位有效性的規(guī)定。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí) ，再釋放 SCL 線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（ MSB），每一個(gè)被傳送的