基于CPLD的多路数据采集系统的设计
数据采集系统具有极强的通用性，可广泛应用于军事、工业生产、科学研究和日常生活中。随着计算机的普及，数据采集系统在日常生活中的应用越来越显著。由于基于DSP芯片的高速电子器件成本和制作工艺，以及高密集的技术含量，使得高速数据采集卡的价格昂贵。而复杂可编程逻辑器件(CPLD)能够将大量的逻辑功能集成于一个单片集成电路中，以其时钟频率高，内部延时小，速度快，效率高，组成形式灵活等特点在高速数据采集方面有着单片机和DSP无法比拟的优势。
1 设计思路
该系统由数据输入单元、数据处理单元、数据输出单元三大部分组成。其中数据输入单元是由状态机控制ADC0809实现。输入信号可以是各种形式，它可以是语音信号、调制后的电话信号、编码的数字信号、压缩的图像信号，也可以是各种传感器输出的信号。A／D能将模拟信号变换成数字信号，但必须满足香农采样定理，也就是为了保证不丢失信息的所有信息，采样频率必须高于输入信号最高频率的2倍。A／D变换后得到的数字信号输人到CPLD芯片；再由CPLD芯片对该数字信号进行各种数字信号算法的处理。经过处理后的数字信号再经过数／模转换器ADC0832将其输出。
2 系统各部分的功能及实现
2．1 数据输入电路
数据输入电路主要是由状态机控制ADC0809实现。其中START为转换控制信号，高电平有效；ALE是3位通道选择地址(ADDC，ADDB，ADDA)信号的锁存信号，高电平有效；EOC是转换情况状态信号(类似于AD574的STATUS)，当启动转换约100 μs后，EOC产生一个高电平，以示转换结束，转换期间一直处于低电平。一旦START有效后，状态信号EOC即变为低电平，表示进入转化状态。转换结束后，EOC将变为高电平。OE为数据输出允许信号，当OE为高电平时，则控制打开三态缓冲器，把转换好的8位数据结果输至数据总线。
对ADC0809的工作过程分析可知：其工作处于6个状态。在状态St1中，ALE高电平将ADC0809的8路采样输入通道地址存入ADC0809地址锁存器中。在状态St3中需要对ADC0809工作状态信号EOC进行循环检测，如果为低电平，表示转换没有结束，仍需要停留在St3状态中等待，直到EOC变成高电平后才说明转换结束，在下一时钟脉冲到来时转向状态St4。在状态St4，由状态机向ADC0809发出转换好的8位数据输出命令，这一状态周期同时可作为数据输出稳定周期，以便能在下一状态中向锁存器中锁入可靠的数据。在状态St5，由状态机向CPLD中的锁存信号(LO-CK的上升沿)，将ADC-0809输出的数据进行锁存。
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2．2 数据处理电路
数据处理电路通过VHDL程序实现，该电路的主要功能是对外部输入信号进行循环检测，当k1为1时，该器件处于数据采集和处理模式。这里的数据处理就是对其输入的数字信号进行扩大2倍或缩小到原来的1／2，其中fun用来选择输入方式。在采集数据的时候还可以选择所采数据是ADC0809中的哪一路，并完成在七段数码器上显示。
2．3 数据输出电路
数据输出电路由数／模转换器DAC0832实现，ADC0832为8位分辨率A／D转换芯片，其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。D／A转换结果采用电流形式输出。应得到相应的模拟电压信号，所以通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。
3 电路的VHDL描述
数据采集控制电路、数据处理电路均是使用硬件描述语言VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hatdware Description Langu-age)设计而成。例如：数据采集控制模块设计如下：
VHDL语言具有多层次的电路设计描述功能，既可描述系统级电路，也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。VHDL语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型，采用VHDL语言描述硬件电路时，设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化，而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描述完成以后，VHDL语言允许采用多种不同的器件结构来实现。
4 系统的波形仿真
在数据处理电路中，当gate=‘1’，整个器件处于数据采集及处理模式，选择不同的工作方式，即fun值，可实现不同的数据处理，当do为O时，其波形仿真如图5所示。从仿真波形中可以看出输入数据等于输出数据，在通过输出运放，使输出值增大2倍，从而使输出数据为输入数据的2倍。
在数据处理电路中，当gate=‘0’，整个器件处于循环检测的模式，当输入数据超出预设值时就进行报警，即alm=‘1’，当无输入值大于预设值时，就进行循环检测。
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5 结语
设计了基于CPLD的多路异步数据采集系统，系统中使用状态机控制数据的采集，使用ADC0832进行数／模转换。同时利用CPLD强大的数字处理功能和高密集成的特点，降低了硬件的成本，简化了电路设计，并配合软件增加了系统的灵活性和可扩充性，具有很好的经济效益和社会效益。 |
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