基于CPLD的多路信号采集系统实现方案

引言
存储测试的特点是集多参数微型传感器及信号调整、信息采集、信息存储及传输接口电路为一体，对被测物体的工作环境、运动控制等多通道、大容量参数进行（实时、动态）数据采集、存储、事后回收、数据再现、数据分析。目前，存储测试技术已经在许多重大武器型号的研制、生产中得到成功应用，并取得了一系列重要科研成果。解决了过去无法解决的重大测试难题，显示出了突出的优越性。[1]
2 硬件设计
2.1 系统框图：
本系统中有1路速变模拟信号、8路缓变模拟信号、4路数字信号。该采集系统能实现采集0~10V之间的模拟信号，其中单路速变模拟信号采样率不低于40Khz,8路缓变模拟信号采样率不低于12.5Khz，两者精度均在0.1%,同时还能够存储4路数字信号。信号记录时间均不低于0.75s，整体设计如图1所示。

2.2信号调理设计
在本系统中，由于模拟输入信号的电压范围是0～10V,所以此次设计使用LM324运算放大器组成的比例电路将输入信号变换成0～2.5V电压。然后输入模拟开关经过跟随器后，再输入A/D转换器。4路数字信号使用一个5V的稳压管，将输入数字信号中大于5V的高电平信号钳制在5V，起到了调压的作用。如果是低于5V，那么电压将不改变。
2.3输入通道设计
存储测试系统常常需要多通道同时采集。此次设计中根据被测信号的特点选用ADG506模拟开关进行各通道的切换，该模拟开关具有开关速度快、泄漏小等特点，从而用最简单的硬件电路完成多路信号的存储测试。
2.4采集芯片选用：
此次设计采用AD公司的AD7492采集芯片，AD7492为12位高速、低功耗、逐次逼近式AD转换器。它可在2.7V-5.25V的供电电压下工作，采样频率最高为1.25MSPS，从而为正确采集回速变、缓变信号提供保障。[2]
2.5存储电路设计
此系统中，我们共有1路速变模拟信号，8路缓变模拟信号，4路数字信号。首先，对于单路速变信号而言，其最低采样频率为40kHz，系统要求的最低记录时间为0.75S此次设计中，用了一个模拟开关和一个AD7492循环进行数据采集，将1路速变信号和8路缓变信号交叉安排在ADG506上，这样在每次速变信号采集后，紧接着采集8路缓变信号，经过循环交叉采集后，便使得速变信号采样率是缓变信号采样率的8倍，所以速变信号采样率为8×12.5kHz≥40kHz。其次，对于8路缓变信号，其单路采样率为12.5kHz, 记录时间为0.75s,共8路。最后，存储４路数字信号。由于我们采用12路的AD采集，所以4路数字信号与AD产生的高4位信号合起来组成8位一起存入512K的SRAM 628512。因此不再单独占用空间。由以上分析我们可以得到存储容量为：M≥12.5kHz×8路×2×0.75+12.5kHz×8次×2×0.75=300kbyte。为了方便读数和数据分析，在每组数据前加上通道标志位，以区分是哪一路信号。为了确保存储空间，此次设计我们一共选用两块容量为512K的SRAM进行数据存储。AD转换和CPLD处理后的采集信号通过74LVC4245电平转换后送入SRAM进行存储。[3]

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3 CPLD实现计算机异步串行通讯设计
3.1异步串行通信的帧格式
在异步串行通信中，数据位是以字符为传送单位，数据位的前、后要有起始位、停止位，另外可以在停止位的前面加上一个比特位(bit)的校验位。其帧格式仍然采用1位开始位+8位数据位+1位停止位.如图2所示。此次设计中没有奇偶效验位。停止位，为逻辑1，总在每一帧的末尾。此次设计中停止位为1位。

3.2异步串行通信的波特率
串行口每秒发送或接收数据的位数为波特率。若发送或接收一位数据需要时间为t，则波特率为1/ t,相应的发送或接收时钟为1/t Hz。发送和接收设备的波特率应该设置成一致，如果两者的波特率不一致，将会出现校验错或者帧错。要产生9600b/s波特率，要有一个不低于9600 Hz的时钟才可以。为产生高精度的时钟，我们专门选取48M的晶振，通过5000分频，最终频率为48M/5000=9600BIT/S
3.3发送程序设计
根据采用的帧格式,需要发送的数据为10位(1位开始位、8位数据位、1位停止位)，在发送完这10位后，就应该停止发送，并使发送端电平处于逻辑1，然后等候下次的发送。发送电路一共有3个并行进程如图3所示，进程1产生9600bps波特率，使系统能够以9600的波特率发送帧。进程2中，当允许写信号WR下降延时，发送完成标志位tdEmpty变为低电平，开始接受并行数据，并将数据放入锁存器锁存。当写允许WR标上升延时，发送完成标志位变为高。进程3，将放入锁存器中的并行数据并串转换，并依照帧格式，将10位数据，在TXD引脚上以9600波特率，串行输出经过串口芯片MAX232电平转换后实现与计算机正常通讯。
3.4接收程序设计
接收电路比发送电路要复杂，接收电路要实时检测起始位的到来，一旦检测到起始位到，就要将这一帧数据接收下来。接受电路一共设计有三个并行进程如图4所示，其中 进程1 负责产生9600bps波特率，使系统能够在9600的波特率与外界系统通讯。进程2 产生接收信号RXD的完成标志位，每次在接收到帧的起始位时，标志位RXDF变高，在完成接受数据后，标志位RXDF变低。进程3负责将RXD信号输入的10位串行数据，依照10位的帧格式，先去掉串口的接收起始位和接收结束位，取其中的8位有效数据，并将8位有效数据进行串并转换，变成并行数据后，由8位数据总线DATA0~DATA7并行输出。

4采集存储控制程序设计
4.1采样主控程序设计：
此次系统我们使用48M晶振，每路信号采样率不低于12.5khz,一共相当于16路模拟量，所以控制点为48M ÷ (16 12.5khz)=240点，所以主控计数器中有240个计数点可以用于控制。在0~240个点中实现了通道选通、启动AD、帧计数、两次SRAM地址递推等工作。每次循环结束后，系统主控计数器清零，反复循环采集。具体细节如图5所示。
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4.2 各个模块的设计
在本设计中采用Altera公司EPM7064系列CPLD，程序使用VHDL语言编写，并在Quartus II环境下编译通过，程序主要有“采集模块”和“读数模块”。采集模块：在采集模块中，共有5个并行进程，其中在进程1中，首先在主控计数器COUNT=10时开始结合内部时钟COL信号来产生多路开关选通信号CNT，当COL='0'时: CNT=0000.COL='1'时：CNT=0001.以次类推一直到COL='15'时选通15路后，进程1停止。在进程2中，当主控计数器COUNT在130和150区间内时，且内部计数器信号COL在0~15范围内,则开始打开AD，开始采集。在进程3中如果主控计数器COUNT=185~255时打开RAM的写入状态。在进程4中当主控制计数器count=200和220时，结合内部时钟信号COL，分别选择存入高4位、低8位或者帧计数。进程5：count=235递推帧标志位和ADG506(模拟开关)选通标志位，具体见图6所示。[4]

读数模块：读数模块共分为3个并行进程：在进程1中，当时钟上升延时,且如果使能EN_R为高时，且电脑控制读数口CPUCLK='1'时开始读数。在进程2中，读完一次数据后，将RAM地址递推一次。进程3中，如果系统为读数模块有效时，数据将通过CPLD发送到MAX232通过异步串行的方法将数据上传，具体见图7所示。[5]
5 结束语
本文对多路数据采集系统的组成原理、单元电路设计、接口电路设计和系统控制程序设计进行了详细的阐述，完成了多路信号数据采集系统软硬件设计。使系统工作安全可靠，数据采集精度较高，抗干扰能力较强。具有良好的应用前景和很高的使用价值。
文章创新点：本文应用CPLD复杂可编程逻辑器件实现了：模拟／数字信号采集系统设计、异步串行数据传输等技术。并且通过使用多路切换开关循环采集的方法，实现对高速信号采集。有效控制了成本，提高了系统的完整性，可靠性，实用性。