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CPLD为控制核心16位高精度数字电压表设计
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1 引言
CPLD ( Complex Programmable Logic Device ) 是新型的可编程逻辑器件，与传统ASIC相比，具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进等优点，特别适合于产品的样品开发和小批量生产。传统的数字电压表多以单片机为控制核心，芯片集成度不高，系统连线复杂，难以小型化，尤其在产品需求发生变化时，不得不重新布版、调试，增加了投资风险和成本。而采用CPLD进行产品开发，可以灵活地进行模块配置，大大缩短了开发周期，也有利于数字电压表向小型化、集成化的方向发展。
2系统原理及组成
系统组成原理框图如图1所示。系统的控制核心是一片CPLD芯片，它由三个功能模块构成： A/D转换时序控制模块、码制变换模块以及显示控制/驱动模块。三个模块的功能分别为发出控制信号启动A/D转换及读取采样值、对AD采样值进行码制转换、发出控制信号驱动LED/LCD显示相应数据。
系统工作原理：测量信号经过信号预处理，变换为0～2.5V范围内的有效信号后送入A/D转换电路中，然后A/D转换时序控制模块发出控制信号，启动A/D转换器进行转换，A/D采样得到的数字信号在码制变换模块中转换为相应的显示代码，最后经显示控制/驱动模块发出控制与驱动信号，推动外部的显示模块（LED/LCD）显示相应的数据。
3CPLD功能模块设计
智能数字电压表的控制核心CPLD的三个功能模块皆用VHDL语言编程实现，下面主要介绍CPLD的三个功能模块的设计。
3.1 A/D转换时序仿真模块AD_CONTROL
ANALOG DEVICES公司生产的AD7715是一片16位的∑-Δ ADC集成电路。它的主要特性有：3V/5V工作电压，单／双极性输入；可编程改变增益为1，2，32，128倍；在单极性输入状态下模拟电压输入范围允许为0～20mV, 0～80mV, 0～1.25V, 0～2.5V不等（有利于提高精度）；三线串行接口；支持差分输入；低功耗（450 mF [email=Max@3V]Max@3V[/email]）。在本系统中AD7715的作用是将0~2.5V的输入模拟信号转换为16位的高精度的数字信号供CPLD处理。AD_CONTROL模块用于控制AD7715的启动、读、写等操作。设计的AD_CONTROL模块如图2所示，其VHDL语言的ENTITY定义部分如下：
如图所示，二者的接口信号线直接连接并由AD_CONTROL模块模拟产生AD7715芯片的各个接口信号，完成ADC的启动、读、写操作。AD7715的工作模式由内部寄存器（Communications Register，Setup Register，Test Register，Data Register）中的控制字决定。内部寄存器的数据写入和读出都由CS，DRDY，SCLK信号控制。当 AD7715被访问时，SCLK脚应出现一次带上升沿的高电平，其时钟频率应为9.2kHz。这是关键信号，其他信号均以此信号作为时基。因此，CPLD中的AD_CONTROL模块的功能之一就是提供SCLK 以及其他信号的严格时序。图3、图4分别为AD_CONTROL模块读、写AD7715时序图。
3. 2 码制变换模块DATA_CONVERSION
在此码制变换模块DATA_CONVERSION中主要实现的功能是将AD采样送来的16位的二进制数转换为可被LED/LCD识别的七段LED显示码或字符型LCD码。在本系统中此模块包含了这两种转换功能以适应显示端不同的配置。为了达到这一目的，首先要将16位二进制码变换为BCD码，然后再分别进行转换，得到七段显示码及字符型码。在此模块中各个BLOCK部分的码制变换的VHDL程序可通过WHEN-ELSE语句进行查表来实现。转换的过程如图5所示。
3.3 显示控制及驱动模块DISL_DRIVE
电压值的显示可由LED或LCD实现。在本系统中对于电压值的显示分为mV和V两档，所以需要在后面加上单位来明确，且本系统为低功耗系统，若用LED则功耗相对过大，所以选用了一块8×2字符型液晶显示模块MDSL81809-03，实现了低功耗，而且可带单位双排显示，字体美观大方。 DISL_DRIVE示，整个电路十分简洁。系统工作过程首先由 CPLD对AD7715及LCD进行初始化，然后当有输入信号V i（0～2.5V）到AIN+端后，由CPLD通过接口向AD7715的寄存器中写入控制字，使其对输入的模拟信号进行转换，变为16位的数字信号送到DOUT端，由CPLD经过码制变换等处理后，再通过与LCD的接口驱动并发送数据，将电压值及单模块与LCD的接口如图6所示。图中LCD的RS端需输入方波驱动，这可由CPLD编程提供。当AD7715采样完成后,由DATA_CONVERSION模块将采样数字信号转换为LCD可识别的字符型数据后，送至DISL_DRIVE模块，再由其驱动LCD，将字符型数据送到LCD的D0~D7端，实现显示。
4系统设计和逻辑仿真
CPLD的三个功能模块用VHDL语言描述，进行综合仿真后连接起来的系统电路原理图如图7所位显示在LCD上。
本系统采用的CPLD芯片为ALTERA公司的EPF10K10LC84-4芯片，逻辑门数为10000门，用MAX+PLUSⅡ10.0软件工具开发。设计输入完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、延时仿真生成配置文件，最后下载至CPLD器件，完成结构功能配置，实现其硬件功能。
5 总结
本系统是用CPLD实现的智能数字电压表。随着EDA技术的广泛应用，CPLD已成为现代数字系统设计的主要手段，CPLD目前正朝着更高速、更高集成度、更强功能和更灵活的方向发展。
CPLD ( Complex Programmable Logic Device ) 是新型的可编程逻辑器件，与传统ASIC相比，具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进等优点，特别适合于产品的样品开发和小批量生产。传统的数字电压表多以单片机为控制核心，芯片集成度不高，系统连线复杂，难以小型化，尤其在产品需求发生变化时，不得不重新布版、调试，增加了投资风险和成本。而采用CPLD进行产品开发，可以灵活地进行模块配置，大大缩短了开发周期，也有利于数字电压表向小型化、集成化的方向发展。
2系统原理及组成
系统组成原理框图如图1所示。系统的控制核心是一片CPLD芯片，它由三个功能模块构成： A/D转换时序控制模块、码制变换模块以及显示控制/驱动模块。三个模块的功能分别为发出控制信号启动A/D转换及读取采样值、对AD采样值进行码制转换、发出控制信号驱动LED/LCD显示相应数据。
系统工作原理：测量信号经过信号预处理，变换为0～2.5V范围内的有效信号后送入A/D转换电路中，然后A/D转换时序控制模块发出控制信号，启动A/D转换器进行转换，A/D采样得到的数字信号在码制变换模块中转换为相应的显示代码，最后经显示控制/驱动模块发出控制与驱动信号，推动外部的显示模块（LED/LCD）显示相应的数据。
3CPLD功能模块设计
智能数字电压表的控制核心CPLD的三个功能模块皆用VHDL语言编程实现，下面主要介绍CPLD的三个功能模块的设计。
3.1 A/D转换时序仿真模块AD_CONTROL
ANALOG DEVICES公司生产的AD7715是一片16位的∑-Δ ADC集成电路。它的主要特性有：3V/5V工作电压，单／双极性输入；可编程改变增益为1，2，32，128倍；在单极性输入状态下模拟电压输入范围允许为0～20mV, 0～80mV, 0～1.25V, 0～2.5V不等（有利于提高精度）；三线串行接口；支持差分输入；低功耗（450 mF [email=Max@3V]Max@3V[/email]）。在本系统中AD7715的作用是将0~2.5V的输入模拟信号转换为16位的高精度的数字信号供CPLD处理。AD_CONTROL模块用于控制AD7715的启动、读、写等操作。设计的AD_CONTROL模块如图2所示，其VHDL语言的ENTITY定义部分如下：
如图所示，二者的接口信号线直接连接并由AD_CONTROL模块模拟产生AD7715芯片的各个接口信号，完成ADC的启动、读、写操作。AD7715的工作模式由内部寄存器（Communications Register，Setup Register，Test Register，Data Register）中的控制字决定。内部寄存器的数据写入和读出都由CS，DRDY，SCLK信号控制。当 AD7715被访问时，SCLK脚应出现一次带上升沿的高电平，其时钟频率应为9.2kHz。这是关键信号，其他信号均以此信号作为时基。因此，CPLD中的AD_CONTROL模块的功能之一就是提供SCLK 以及其他信号的严格时序。图3、图4分别为AD_CONTROL模块读、写AD7715时序图。
3. 2 码制变换模块DATA_CONVERSION
在此码制变换模块DATA_CONVERSION中主要实现的功能是将AD采样送来的16位的二进制数转换为可被LED/LCD识别的七段LED显示码或字符型LCD码。在本系统中此模块包含了这两种转换功能以适应显示端不同的配置。为了达到这一目的，首先要将16位二进制码变换为BCD码，然后再分别进行转换，得到七段显示码及字符型码。在此模块中各个BLOCK部分的码制变换的VHDL程序可通过WHEN-ELSE语句进行查表来实现。转换的过程如图5所示。
3.3 显示控制及驱动模块DISL_DRIVE
电压值的显示可由LED或LCD实现。在本系统中对于电压值的显示分为mV和V两档，所以需要在后面加上单位来明确，且本系统为低功耗系统，若用LED则功耗相对过大，所以选用了一块8×2字符型液晶显示模块MDSL81809-03，实现了低功耗，而且可带单位双排显示，字体美观大方。 DISL_DRIVE示，整个电路十分简洁。系统工作过程首先由 CPLD对AD7715及LCD进行初始化，然后当有输入信号V i（0～2.5V）到AIN+端后，由CPLD通过接口向AD7715的寄存器中写入控制字，使其对输入的模拟信号进行转换，变为16位的数字信号送到DOUT端，由CPLD经过码制变换等处理后，再通过与LCD的接口驱动并发送数据，将电压值及单模块与LCD的接口如图6所示。图中LCD的RS端需输入方波驱动，这可由CPLD编程提供。当AD7715采样完成后,由DATA_CONVERSION模块将采样数字信号转换为LCD可识别的字符型数据后，送至DISL_DRIVE模块，再由其驱动LCD，将字符型数据送到LCD的D0~D7端，实现显示。
4系统设计和逻辑仿真
CPLD的三个功能模块用VHDL语言描述，进行综合仿真后连接起来的系统电路原理图如图7所位显示在LCD上。
本系统采用的CPLD芯片为ALTERA公司的EPF10K10LC84-4芯片，逻辑门数为10000门，用MAX+PLUSⅡ10.0软件工具开发。设计输入完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、延时仿真生成配置文件，最后下载至CPLD器件，完成结构功能配置，实现其硬件功能。
5 总结
本系统是用CPLD实现的智能数字电压表。随着EDA技术的广泛应用，CPLD已成为现代数字系统设计的主要手段，CPLD目前正朝着更高速、更高集成度、更强功能和更灵活的方向发展。
