基于CPLD的多路温度数据采集系统的设计

肖俊明,刘鹏程,杜迎虎,祝海明

(中原工学院,郑州 450007)

基于CPLD的多路温度数据采集系统的设计

肖俊明,刘鹏程,杜迎虎,祝海明

(中原工学院,郑州 450007)

提出了一种基于CPLD的温度数据采集系统的设计方案,介绍了系统软硬件、外围电路,芯片间电路连接和程序的设计方法,实现了温度信号采集、A/D转换、数据运算处理和控制数码管显示输出.仿真结果表明,本系统可将温度通过电压转换为可读的数字量,并且精度达到±0.5℃,能够满足15～50℃的一般温度采集要求.

CPLD;A/D转换;数据采集

在数字技术飞速发展的今天,将各种模拟信号转化为数字信号再进行相应的处理,不仅可以提高系统性能,还可以充分利用现代信号的各种处理算法,提高系统的灵活性和可靠性[1].

CPLD不仅在速度上能满足高速数字信号处理的要求,而且可编程资源也大大增加,具有在线可编程功能,从而提高了系统的灵活性和适应性.在开发周期较短或对系统灵活性要求较高的场所,CPLD能够提供比专用高速数字信号处理器件更高的系统速度和更好的解决方案[2].本文提出了一种基于CPLD的多路温度数据采集系统的设计方案.

1 系统的硬件组成

本系统采用CPLD作为主控制单元,负责系统采样通道的巡回、产生工作时钟和控制ADC0809进行数据采集.系统采集的模拟信号经过A/D转换器转换成数字信号,由控制电路将数据送入控制系统,然后对数据进行处理,将数据进行码制转换,由七段LED显示出数值.本系统中 A/D转换器采用的是ADC0809.ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,它具有转换速度快、分辨率高、功耗低以及价格便宜等优点,被广泛地应用于微电脑的接口设计上.图1所示为该温度数据采集系统基本结构框架.

图1 系统基本结构框架

1.1 信号调理模块设计

此模块采用温度传感器AD590作为摄温元件,将气温转换为模拟电压量,然后经过LM 324将信号放大.图2所示为信号调理模块电路图.集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路,它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测:

图2 信号调理模块电路图

式中:K-波尔兹常数;q-电子电荷绝对值.

由于AD590输出的信号是电流信号,所以首先要把电流信号转换成电压信号.利用AD590设计测量温度电路时,首先经过一个电阻将AD590的电流值送出,后面再通过10倍放大倍数的电压跟随器将其电流信号转换为电压信号.

1.2 通道的扩展模块设计

一个温度数据采集系统(A/D转换)往往要采集多路模拟信号,通常只用一片A/D转换芯片轮流选择输入信号进行采集,既节省了硬件资源,又不影响对系统的监测与控制.许多A/D转换芯片内部具备多路转换开关,一片A/D转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号.如果A/D转换芯片不具有多路转换功能,要在信号进行A/D转换之前加上模拟多路转换开关[3].

本系统中A/D转换模块采用ADC0809,它不具备多路转换功能,因此要采集32路模拟信号,需要进行采集通道的扩展.CD4051是一个八选一模拟开关,此系统采集的是32路信号,因此需要4片CD4051.经传感器输出的电压信号送入CD4051等待被选通;用CPLD控制CD4051的信号选通,经2-4译码器分别接到4片CD4051的片选INH,同时控制4片CD4051的A口、B口、C口.经过通道的扩展,并接 4片CD4051,就可以实现三十二选一的功能.

1.3 A/D转换模块设计

在本模块的设计中,ADC0809通过 ALE、START、EOC、0E、Data[0 …7]、ADDA、ADDB、ADDC、CL K信号与CPLD相连.A/D转换模块电路图如图3所示.

2 CPLD设计

系统的CPLD使用MAX+PLUSⅡ软件进行设计,采用V HDL硬件描述语言进行软件编程[4].CPLD包含了三大功能模块,分别是A/D采样控制模块、二至十进制转换及调整模块和数据输出显示模块.

图3 A/D转换模块电路图

2.1 A/D采样控制模块设计

本模块采用双进程有限状态机产生ADC0809的工作时序,设计st0～st7共8个工作状态.st0:初始状态;st1:产生 ALE的上升沿,将地址“001”锁入ADC0809的地址寄存器中;st2:产生采样信号START上升沿,开始A/D转换;st3:START信号延时一个脉冲;st4:A/D转换未结束,等待;st5:数据转换结束,开启输出允许OE;st6:输出允许OE延时一个脉冲;st7:开启数存信号LOCK,数据从ADC0809传送到EPM 7128SLC84-15[5].

根据ADC0809的工作时序,可以采用查询信号EOC方式,通过CPLD实现对ADC0809的信号采样控制.信号采样控制模块的流程如图4所示.

图4 ADC0809信号采样控制模块流程

2.2 二至十进制转换及调整模块设计

二进制数为8位,本模块把二进制数分成高4位和低4位,然后计算出对应的电压值,再将对应的3位BCD码列成表格,通过查表将BCD码相加,最终得到3组BCD码分别对应的高、中、低3位的输出显示[6].

例如:ADC0809的参考电压(VREF/2)为2.56 V时,ADC0809转换输出的8位二进制数为[D7…0]=01111000(78H),高4位0111对应的电压为2.24 V,用3组压缩BCD码表示为 001000100100;低 4位1000对应的电压为0.16 V,用3组压缩BCD码表示为000000010110,于是总的输入电压为2.24+0.16=

2.3 V.将压缩BCD码相加,所得的结果仍是BCD码.

在进行程序设计时,首先通过查表指令得出高4位和低4位分别所对应电压的压缩BCD码,然后进行十进制加法运算和调整.表1所示为输入电压与输出的8位二进制数之间的对应关系.

表1 模拟输入电压与输出的8位二进制数之间的对应关系

2.4 数据输出显示模块设计

该模块主要完成系统采样值的显示.七段译码器采用共阴极接法,程序设计的流程是利用查表指令完成从BCD码到七段显示码的转换,小数点加在所显示数据的最高位之后[7].

3 CPLD仿真

在MAX+PLUS II平台下进行系统的仿真,得到如图6所示结果.

图6 ADC0809信号采样控制模块仿真波形

从仿真波形可以看出,在地址锁存允许输入信号ALE有效后,接着输入启动转换信号 START有效,开始A/D转换.转换结束后,则停留在st4状态等待;转换结束后,输出转换信号 EOC出现上升沿,且输出允许信号 OE有效,在 OE控制下,转换数字信号D7～D0输出.系统符合ADC0809的工作时序要求,实现了对ADC089的采样控制,达到了设计要求.

4 结 语

基于CPLD的多路温度数据采集系统,以CPLD芯片为核心器件,控制A/D转化器完成各种时序逻辑、计数、温度采集,提高了系统的可靠性,缩短了研发的周期,使系统易于升级与扩展.仿真结果表明,此系统可将温度通过电压转换为可读的数字量,精度达到±0.5℃,能够满足15～50℃的一般温度采集要求,应用前景广阔.

[1]宋志强,余红英.CPLD控制ADC0809实现多路数据采集[J].黑龙江科技信息,2009:66.

[2]刘卓夫,彭侠夫,李福义,等.FPGA在高速多通道数据采集中的应用[J].电测与仪表,2002,39(442):42-44.

[3]江小平,刘文杰.基于CPLD/FPGA的A/D转换控制器的设计[J].苏州大学学报(工科版),2005,25(4):53-55.

[4]李向舜,刘明慧.基于CPLD技术的A/D转换器接口电路设计[J].压电与声光,2005,27(4):385-388.

[5]陈明明,李忠,郑华.基于CPLD的A/D自动采样接口[J].继电器,2004,32(16):44-46.

[6]冯涛,王程.可编程逻辑器件开发技术[M].北京:人民邮电出版社,2002:179-208.

[7]李宜达.数字逻辑电路设计与实现[M].北京:科学出版社,2004:105-116.

[8]黄正谨,徐坚,章小丽,等.CPLD系统设计技术入门与应用[M].北京:电子工业出社,2002.

Design of Multi-channel Data Acquisition System Based on CPLD

XIAO Jun-ming,L IU Peng-cheng,DU Ying-hu,ZHU Hai-ming
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

A designmethod of data acquisition system based on CPLD(complex programmable logic device)was introduced in this paper.The hardware circuit buildup,connection of periphery circuits,and the codes of programs and graphs are also described.This system realizes whole circuit signal acquisition,A/D conversion,data operation process and controlled digital tube display output.The experimental result shows that this system can read the temperature conversion for the digital quantity through the voltage,and its accuracy reaches±0.5℃,which can satisfy the temperature measurement requirements between 15℃to 50℃.

CPLD;A/D conversion;data acquisition

TN919

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.03.0014

1671-6906(2011)03-0059-04

2011-04-28

肖俊明(1959-),男,河南卫辉人,副教授.