基于FPGA的数据采集控制模块设计

　　0 引 言

　　数据采集和控制系统是对生产过程或科学实验中各种物理量进行实时采集、测试和反馈控制的闭环控制，它在工业控制、军事电子设备、医学监护等许多领域发挥着重要作用。其中，数据采集部分尤为重要，而传统的数据采集系统，通常采用单片机或DSP作为控制器，用以控制ADC、存储器和其他外围电路的工作，使得采集速度和效率降低。近年来，微电子技术，如：大规模集成电路和超大规模集成电路技术的发展，为数据采集系统的发展提供了良好的物质基础。从而使器件向模块化和单片化发展，使所用软件均向实时高级语言和软件模块化发展，接口向标准化发展。由于FPGA时钟频率高，内部延时小，全部控制逻辑均由硬件完成，速度快，效率高，同时它有非常强大的硬件描述语言和仿真工具，方便检验结果的正确性。基于以上考虑，在设计中采用FPGA作为控制处理器。而VGA接口的设计，更突出了该模块的兼容性，更易于采集数据的直观表现。

　　1 系统总体设计方案

　　完整的数据采集过程通常由数据的通道选择、采样、存储、显示构成，有时也要对数据进行适当的处理。其中，控制模块起到了核心作用，他作为控制信号产生和处理的中枢对这些外围电路进行着实时的监控和管理。设计过程中采用FPGA作为控制器，完成对A/D转换器的控制，并将采集到的数据存储到一定的存储单元.通过VGA接口协议，最后在显示器上显示。具体涉及的外围电路中，数据采集部分主要应用ADC0809作为数据采集芯片，对输入的模拟量进行A/D转换;数据缓存部分应用6116作为存储芯片，用来缓存0809采集的数据;按键控制部分利用8个按键来控制0809的转换通道选择;图形显示部分输出标准的VGA信号，使用CRT显示器，以显示实时波形。由于在设计中对外部器件进行控制的控制器都是由FPGA完成的，FP-GA的工作量很大，因此所采用的FPGA芯片为FLEX系列中30万门的EPF10K30。

　　2 基于FPGA的主控模块的实现

　　主控制器的工作原理如图1所示。

　　通过一个A/D转换控制器产生对ADC0809的控制信号。启动ADC0809之后，随即就会按照一定频率进行A/D转换。同时通过一个数据锁存信号将数据锁存到A/D转换控制模块中。这个锁存信号将作为RAM控制器写输入控制信号。当RAM读写控制器的写控制信号有效之后，将开启RAM的写使能有效信号，将采集到的数据写入RAM的第600个地址单元中，然后RAM控制器将RAM中的数据向上移动一位，移动完之后，产生一个数据更新完毕信号，之后才通过内部的一个控制信号，允许从RAM读出数据。若RAM中读数据使能，每当VGA显示控制器发出一个读数据命令时，RAM读写控制器便开启RAM的读有效信号，读出RAM中的数据，并且通过VGA控制器的时序控制和输出信号进行显示。外部的按键部分共有8个，这8个按键控制ADC0809的8路通道的选择。键盘控制器的功能就是扫描所按下按键的行和列值，并且合成键值。转换成按键数值0～7，最终控制8个模拟输入通道的选择。