【正文】 FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 同樣，還有一個時鐘電路用于驅(qū)動時鐘信號到每一個邏輯模塊中的每一個觸發(fā)器。 FPGA 基本內(nèi)部構(gòu)造及功能分析 FPGA 是可編程邏輯器件，屬于特殊 ASIC 芯片的一類，是在 PAL、 GAL 等可編程邏輯器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 本系統(tǒng)采用 EP1C6Q240C8。 目前 Lattice 公司在上海設(shè)有研發(fā)部門 [11 12]。中小規(guī)模 PLD 比較有特色，種類齊全。 4. Altera 公司 該公司生 產(chǎn) FPGA 和 EPLD，常用芯片為 EPLD7000系列產(chǎn)品 7128 和 FPGA10K 系列產(chǎn)品 10K10 5. Lattice 公司 介紹 Lattice 是 ISP（在線可編程）技術(shù)的發(fā)明者， ISP技術(shù)極大的促進(jìn)了 PLD 產(chǎn)品的發(fā)展， 80 年代和 90 年代初是其黃金時期，但很快被 Xilinx， Altera 超過。 2. Lattice 公司 該公司已經(jīng)和 AMD 公司合并，該公司生產(chǎn) GAL 和CPLD 產(chǎn)品，目前各學(xué)校和各公司制作實驗板的常用芯片為 ISP1016 和可編程開關(guān) GDS14。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，目前應(yīng)用較廣泛的有 CPLD 和 FPGA。使用者可利用特定的計算機(jī)開發(fā)工具（軟件包和硬件電路、編程電纜）對其進(jìn)行加工，即按設(shè)計要求將這些芯片內(nèi)部的元件連接起來（此過程稱為編程或設(shè)置），使之實現(xiàn)完成某個數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)的功能，成為一個可在實際電子系統(tǒng)中使用的專用集成電路 （ ASIC） 隨著集成電路工藝的日臻完善，集成度急劇攀升，功能日益強(qiáng)大。下面介紹一下它的結(jié)構(gòu)、特點以及設(shè)計方法 [ 10]。為了解決這些問題，可以借助于近年來迅速發(fā)展的大規(guī)?？删幊虒Ｓ眉呻娐?現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)。 圖 46FIFO 波形仿真 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 第 5 章 FPGA 可編程邏輯器件 FPGA 器件信 息 本設(shè)計由于需要用到大量的控制信號，而且又是以計算機(jī)為平臺，所以系統(tǒng)中有大量的數(shù)字邏輯電路。 FIFO 模塊設(shè)計及仿真 下圖 45 是由 VerilogHDL 所生成的 FIFO 模塊管腳圖。 d[ 7. .0]clkeocalestartoeclk nq[ 7. .0]adc 0809ins t 圖 43ADC0809 模塊設(shè)計 在 Quartus II 軟件上用 VerilogHDL 語言編寫 ADC0809，然后仿真，仿真結(jié)果如下圖 44 所示。 OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻； OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到 的數(shù)據(jù) 9. Vcc—— +5V 電源 10. Vref—— 參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。 D0 為最低位， D7 為最高 8. OE—— 輸出允許信號。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用 7. D7～ D0—— 數(shù)據(jù)輸出線。通常使用頻率為 500KHz 的時鐘信號 6. EOC—— 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見表 41 5. CLK—— 時鐘信號。 START 上升沿時，復(fù)位 ADC0809；START 下降沿時啟動芯片，開 始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在 A/D 轉(zhuǎn)換期間，START 應(yīng)保持低電平 4. A、 B、 C—— 地址線。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 表 41 通道選擇表 C B A 被選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 ADC0809 的 管腳描述 ADC0809 芯片為 28 引腳雙列直插式封裝，其主要信號引腳的功能說明如下： 1. IN7～ IN0—— 模擬量輸入通道 2. ALE—— 地址鎖存允許信號。 圖 42ADC0809 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 圖中多路開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。 其主要特性如下 [8]： 1. 分辨率為 8 位 2. 最大不可調(diào)誤差 3. 可鎖存三態(tài)輸出，能與 8 位微處理器接口 4. 輸出與 TTL 兼容 5. 轉(zhuǎn)換時間約為 100us 6. 不必進(jìn)行零點和滿度調(diào)整 7. 單電源供電，供電電 壓為 +5V ADC0809 結(jié)構(gòu)圖 如下 ADC0809 引腳圖 41 所示。由于本系統(tǒng)傳感器測溫電路輸出端得電壓變化范圍在 ～ 2V 之間，因此選用 8 路 8 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809。由此可見這種類型的 ADC 不僅轉(zhuǎn)換速度較高，而且分辨率也比較高 [8]?？焖倬_的n 位轉(zhuǎn)換器分成兩段以上的子區(qū) (流水線 )來完成。這一技術(shù)的優(yōu)點 :分辨率可高達(dá) 24 位，比積分型及壓頻變換型 ADC 的轉(zhuǎn)換速率高，可實現(xiàn)低價格、高分辨率的數(shù)據(jù)采集。 ∑ △型 ADC 由兩部分組成，第一部分為模擬∑ △調(diào)制器，第二部分為數(shù)字抽取濾波器。其優(yōu)點是 :精度高、價格低、功耗低。 4. 壓頻變換型 ADC 壓頻變換型 ADC 是先將輸入模擬信號的電壓轉(zhuǎn)換成頻率與其成正比的脈沖信號，然后在固 定的時間間隔內(nèi)對此脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果正比于輸入模擬電壓信號的數(shù)字量。這類 ADC 主要應(yīng)用于低速、精密測量等領(lǐng)域。與此同時，在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，根據(jù)時間間隔的值計算出模擬電壓的值，從而實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。積分型 ADC 又稱 為雙斜式 ADC。在高精度、快速 A/D 變換中應(yīng)用最為廣泛。主要通過二分探索法求得一數(shù)字碼，使其對應(yīng)的電壓最接近于輸入電壓。 2. 逐次逼近型 逐次逼近型 ADC 是應(yīng)用非常廣泛的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換方法，它由比較器、 DIA轉(zhuǎn)換器、比較寄存器、時鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成 。例如， N 位 ADC 需要 2n 個精密電阻和 2(n1)個并聯(lián)比較器。這種結(jié)構(gòu) ADC 的所有位同時轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換時間主要取決于比較器的開關(guān)速 度、編碼器的傳輸時間延遲等。 A/D 轉(zhuǎn)換 器的分類及其特點 目前，模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路主要由以下幾種類型： 1. 并行比較 ADC 并行比較 ADC 是現(xiàn)今速度最快的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，通常稱為“閃爍式 ADC。為了滿足各種不同的檢測和控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的 A/D 轉(zhuǎn)換電路應(yīng)運(yùn)而生。 溫度 傳感器的選型 溫室的溫度變化范圍通常在 10℃ 40℃ 之間，精度要求為 1，因此可采用 AD590 集成溫度傳感器。 5. 數(shù)字式溫度傳感器 (1) MAX6575/76/77 數(shù)字溫度傳感器 。 (1)LM56 溫度開關(guān) 。 4. 邏輯輸出型溫度傳感器 在許多應(yīng)用中，我們并不需要嚴(yán)格測量溫度值，只關(guān)心溫度是否超出了一個設(shè)定范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報警信號，啟動或洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 關(guān)閉 風(fēng)扇 、 空調(diào) 、 加熱器 或其它控制設(shè)備，此時可選用邏輯輸出式溫度傳感器。這里主要介紹該類器件的幾個典型 ，如下： (1)AD590 溫度傳感 器 。集成模擬溫度傳感器與之相比，具有靈敏度高、 線性度 好、響應(yīng)速度 快等優(yōu)點，而且它還將 驅(qū)動電路 、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片 IC 上，有實際尺寸小、使用方便等優(yōu)點。隨著 紅外技 術(shù) 的發(fā)展，輻射測溫 ， 逐漸由可見光向紅外線擴(kuò)展，700℃ 以下直至常溫都已采用，且 分辨率 很高。 非接觸測溫優(yōu)點：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。通過計算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發(fā)射系數(shù)式中 ε 為材料表面發(fā)射率， ρ為反射鏡的反射率。利 用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實測溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或 坩堝 中的溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。 2. 非接觸式溫度傳感器 它的 敏感元件 與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫 儀表 。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。但對于運(yùn)動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的 測量誤差 ，常用的溫度計有 雙金屬溫度計 、 玻璃液體溫度計 、 壓力式溫度計 、 電阻溫度計 、熱敏電阻和 溫差電 偶 等。一 般測量精度較高。 圖 25 數(shù)據(jù)傳輸仿真洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第 3 章 溫度傳感器模塊 溫度 傳感器型號 1. 接觸式溫度傳感器 接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱 溫度計 。 F P G A M A X 2 3 2R S 2 3 2R O K 1 0 1 0 0 7P C 機(jī)R S 2 3 2R S 2 3 2R O K 1 0 1 0 0 7M A X 2 3 2 圖 23 FPGA 與 PC 機(jī)通信 系統(tǒng)的整體功能設(shè)計圖及仿真圖 由各個 VerilogHDL 功能圖組成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及傳輸如下圖 24 所示。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 22 所示 。主要完成 A/D 轉(zhuǎn)換器的時鐘選取、數(shù)據(jù)的存儲計算以及相應(yīng)的控制邏輯、實現(xiàn)與 PC 機(jī)的通信等控制任務(wù)。 主控制模塊由 FPGA 及其外圍電路組成。被采集的信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后存入存儲器。 信息采集模塊是存儲測試中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著獲取信息的質(zhì)量和采集測試的精度。 5 第 2 章 采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)的整體設(shè)計 方案 根據(jù)課題的要求，提出系統(tǒng)整體設(shè)計方案，其系統(tǒng)框圖如 圖 21 所示 。 可以預(yù)見，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將在雷達(dá)、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、無損監(jiān)測、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動控制以及生物醫(yī)學(xué)工程眾多領(lǐng)域 發(fā)揮更大的作用 。它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理及控制等作業(yè)，具有很強(qiáng)的使用性。在這些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中訪問裝置數(shù)據(jù)源是必須的功能，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是工業(yè)控制和監(jiān)控系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ) [4]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ Date Acquisition System,簡稱 DAS）目前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，在工業(yè)領(lǐng)域存在大量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這些系統(tǒng)支持著工業(yè)領(lǐng)域，如電力、軍事、通信等各種生產(chǎn)的正常運(yùn)行。 1998 年 5 月，愛立信、諾基亞、東芝、 IBM 和英特爾公司等五家著名廠商，在聯(lián)合開展短程無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化活動時提出了藍(lán)牙技術(shù)，其宗旨是提供一 種短距離、低成本的無線傳輸應(yīng)用技術(shù)。能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。借助于大規(guī)模集成的可編程邏輯器件和搞笑的設(shè)計軟件，用戶不僅可通過直接對芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)多種數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能，而且由于管腳定義的靈活性，大大減輕了電路圖設(shè)計和電路板設(shè)計的工作量和難度；同時，這種基于可編程邏輯器件芯片的設(shè)計大大減 少了系統(tǒng)芯片的數(shù)量，縮小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性 [23]。 研究的可行性 在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天， FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）和 CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）應(yīng)用已十分廣泛，它們隨著 EDA 技術(shù)的發(fā)展而成為電子設(shè)計領(lǐng)域的重要角色。 同樣在和上位機(jī) PC 之間的數(shù)據(jù)傳輸問題上， 有大量的 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù) 傳輸電路 ， 而藍(lán)牙 數(shù)據(jù)傳輸則實現(xiàn)了無線傳輸。但很明顯的缺點是數(shù)學(xué)運(yùn)算能力差，對于實時性要求高、傳輸率要求快、對信號的數(shù)學(xué)處理比較復(fù)雜的領(lǐng)域來說，單片機(jī)就顯得力不從心了。目前，以這樣的系統(tǒng)為核心的設(shè)備在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，比如工業(yè)生產(chǎn)中的液位、溫度、壓力、頻率等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；生物醫(yī)學(xué)方面的電生理信號的采集系統(tǒng)，機(jī)場、商場、交通等重要的場所安裝的監(jiān)控設(shè)備、視頻會議、可視電話等多媒體設(shè)備等 [1]。 2 第 1 章 緒論 課題的研究 課題的 提出 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、控制和科學(xué)研究中，對各種現(xiàn)場 數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸并處理已是必不可少的組成部分。網(wǎng)絡(luò)化測量、采集和控制是其發(fā)展的必然趨勢。 一個大型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由以下幾個部分組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、分析和顯示等。與此同時，將計算機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被控制生產(chǎn)過程中的計算機(jī)控制系統(tǒng)用來控制某