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換體DMA高速數(shù)據(jù)采集電路的CPLD實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了塊體DMA高速數(shù)據(jù)采集電路原理及其CPLD實(shí)現(xiàn)。用CPLD設(shè)計(jì)雙端口RAM緩存、控制譯碼、時(shí)序邏輯電路，很好地解決了電路元件所占體積大、電路復(fù)雜、不能實(shí)現(xiàn)在線升級(jí)等問(wèn)題，大大提高了系統(tǒng)的整體性能。關(guān)鍵詞：換體DMA CPLD 雙端口RAM 在線升級(jí)
在許多儀器和控制系統(tǒng)中，高速數(shù)據(jù)采集電路是必不可少的，也是經(jīng)常需要解決的問(wèn)題。數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)方法很多，但往往離不開(kāi)A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)緩存電路、控制邏輯電路、地址發(fā)生器、址譯碼電路等。而數(shù)據(jù)緩存、控制邏輯、地址譯碼等電路通常是由RAM芯片、與非門、觸發(fā)器、緩沖/驅(qū)動(dòng)器等構(gòu)成，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集電路復(fù)雜、芯片繁多，特別是硬件的固定使得采集系統(tǒng)在線升級(jí)幾乎不可能。很多情況下只有重新設(shè)計(jì)電路和印刷板，重新焊接和調(diào)試，造成開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本大大增高。復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD的應(yīng)用，為這些問(wèn)題的解決提供了一種好的辦法。利用CPLD芯片本身集成的上萬(wàn)個(gè)邏輯門和EAB，把數(shù)據(jù)采集電路中的數(shù)據(jù)緩存、地址發(fā)生器、控制譯碼等電路全部集成進(jìn)一片CPLD芯片中，大大減小了系統(tǒng)的體積，降低了成本，提高了可靠性。同時(shí)，CPLD可由軟件實(shí)現(xiàn)邏輯重構(gòu)，而且可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中編程（ISP）以及有眾多功能強(qiáng)大的EDA軟件的支持，使得系統(tǒng)具有升級(jí)容易、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集有電路中，采用換體DMA技術(shù)不但大大地提高了數(shù)據(jù)采集的速度，而且彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)采集中可能丟失數(shù)據(jù)的缺陷。
1 換體DMA數(shù)據(jù)采集電路原理
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。在時(shí)序電路的控制下，模擬輸入開(kāi)關(guān)將多達(dá)16路（單端輸入）或8路（差分輸入）的模擬輸入信號(hào)經(jīng)多路開(kāi)關(guān)送至放大器的輸入端，放大后由內(nèi)含采樣/保持電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD774B轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量經(jīng)時(shí)序電路的控制寫入兩個(gè)存儲(chǔ)體的一個(gè)（例如存儲(chǔ)體0）中。每個(gè)存儲(chǔ)體有4KB的容量，但實(shí)際使用中存儲(chǔ)容量可設(shè)定為小于4KB。當(dāng)計(jì)數(shù)到設(shè)定的存儲(chǔ)空量后，控制電路產(chǎn)生換體信號(hào)，后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)自動(dòng)地存入另一個(gè)存儲(chǔ)體（存儲(chǔ)體1）。同時(shí)控制電路向主機(jī)發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)，主機(jī)響應(yīng)請(qǐng)求后在時(shí)序電路配合下，從已存儲(chǔ)規(guī)定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)體（存儲(chǔ)體0）中讀入所存的數(shù)據(jù)。這樣存儲(chǔ)體0和存儲(chǔ)體1交替存取，直到規(guī)定的換體次數(shù)計(jì)完為止。
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數(shù)據(jù)采集電路中，時(shí)序控制電路、地址發(fā)生器、多路控制驅(qū)動(dòng)器等芯片眾多，占用了大部分體積，邏輯時(shí)序復(fù)雜。用CPLD實(shí)現(xiàn)這些電路則顯得簡(jiǎn)單明了，如圖2所示。圖2中地址發(fā)生器、雙端口RAM、時(shí)序控制等電路都可以用HDL語(yǔ)言或原理圖，或是兩者結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，使電路開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、靈活、方便。
2 采用CPLD實(shí)現(xiàn)換體DMA
CPLD的開(kāi)發(fā)必須經(jīng)過(guò)前期的邏輯設(shè)計(jì)、前仿真、后仿真、目標(biāo)代碼下載及在調(diào)試等過(guò)程，該設(shè)計(jì)過(guò)程是借助ALTERA公司的EDA軟件MAXPLUS II 10.1來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MAXPLUS II支持原理圖輸入、HDL語(yǔ)言輸入、設(shè)計(jì)波形輸入等。本設(shè)計(jì)則是將原理圖和HDL語(yǔ)言輸入相結(jié)合，這樣既可以加快開(kāi)發(fā)速度，又不失靈活性。本電路設(shè)計(jì)所用的CPLD芯片一FLEX10K30E。它是ALTERA公司1995年把EAB與邏輯陣列塊相結(jié)合的產(chǎn)品，增加了許多FLEX10KA、B系列沒(méi)有的新特點(diǎn)；FLEX10K30E內(nèi)有30000個(gè)邏輯門，247576個(gè)RAM位，支持3.3V、5V多種電源，速度等級(jí)高。
2.1 數(shù)據(jù)緩存——雙端口RAM
雙端口RAM的核心是存儲(chǔ)器陣列，它的讀與寫相互獨(dú)立，有各自的時(shí)鐘線、地址總線、數(shù)據(jù)總線和使能端。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲(chǔ)器進(jìn)行緩存，同時(shí)CPU可以從緩存中取出數(shù)據(jù)讀進(jìn)計(jì)算機(jī)內(nèi)存。在傳統(tǒng)的雙RAM換體方案中要實(shí)現(xiàn)換體，存儲(chǔ)器芯片必須使用偶數(shù)片來(lái)交互存儲(chǔ)；當(dāng)A/D數(shù)據(jù)位數(shù)超過(guò)8位時(shí)，需要另加芯片來(lái)存儲(chǔ)高于8位的數(shù)據(jù)。在CPLD中設(shè)計(jì)雙端口RAM模塊不但實(shí)現(xiàn)了雙RAM換體功能，而且使緩存RAM的數(shù)據(jù)位數(shù)、存儲(chǔ)量大小可以根據(jù)需要任意配置。
如上所述，在CPLD中設(shè)計(jì)雙端口RAM，可以有兩種方式：原理圖輸入和HDL語(yǔ)言輸入。本設(shè)計(jì)采用的是MAXPLUS II庫(kù)中的LPM_RAM_DP宏，原理圖如圖3所示。
在LPM_RAM_DP宏中總共有10個(gè)可配置參數(shù)。通常情況下，只配置LPM_WIDTH（數(shù)據(jù)寬度）、LPM_WIDTHAD（地址總線寬度）、USE_EAB（是否使用嵌入式陣列塊EAB）三個(gè)參數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，AD774B的數(shù)據(jù)寬度是12位，轉(zhuǎn)換速度為8微秒，所以配置了LPM_WIDTH=12，LPM_WIDTHAD=10（緩存容量為1K），USE_EAB=ON。對(duì)于緩存的大小，可以在調(diào)試過(guò)程中根據(jù)具體采集速度和緩存要求進(jìn)行在線調(diào)整，而不影響其他邏輯電路。
圖3LPM_RAM_DP模塊中rdaddress、rden、rdclock、rdclken、q分別為讀端的地址線、使能端、時(shí)鐘線、時(shí)鐘使能和數(shù)據(jù)線；data、wraddress為寫端的數(shù)據(jù)總線和地址總線。圖3的雙端口RAM模塊并沒(méi)有BUSY端，當(dāng)寫地址和讀地址相同時(shí)，數(shù)據(jù)位沖突，讀寫不能正常工作。在實(shí)際工作中，這種問(wèn)題是不應(yīng)該出現(xiàn)的。結(jié)合本系統(tǒng)的具體需要，在此引入了存儲(chǔ)器分而概念，即把1k字節(jié)的雙端RAM分為2頁(yè)，每頁(yè)512字節(jié)，分別為讀緩存頁(yè)和寫緩存頁(yè)，兩者相互交換。當(dāng)采集數(shù)據(jù)量達(dá)到512字節(jié)時(shí)，系統(tǒng)馬上申請(qǐng)DMA傳送，把剛轉(zhuǎn)換完
的第一頁(yè)中的512字節(jié)數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)，傳送結(jié)束后等待下一次DMA申請(qǐng)；與此同時(shí)，A/D繼續(xù)工作，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放在第2頁(yè)0～511地址中。任何時(shí)候讀寫都分別在不同的頁(yè)工作，從而有效地避免了數(shù)據(jù)沖突，但又不影響數(shù)據(jù)傳輸速度。具體的分頁(yè)控制主要由地址發(fā)生器設(shè)計(jì)確定。
2.2 分頁(yè)地址發(fā)生器
分頁(yè)地址發(fā)生器不但要產(chǎn)生雙端口RAM的讀寫地址，而且還要為緩存器分頁(yè)；頁(yè)寫滿時(shí)，還要提供DMA傳輸申請(qǐng)信號(hào)。為了增強(qiáng)靈活性，讀寫地址發(fā)生器由VHDL語(yǔ)言編程集中在一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，部分程序如下：
signal wtmp:integer range 0 to 1023;
signal rtmp:integer range 0 to 1023;
signal page:intefer range 0 to 1;
if(wclk'event and wclk='1')then
if(wtmp>1023)then wtmp<=0;
else wtmp<=wtmp+1; --wtpm為寫地址值
end if;
if(0=<wtmp<512)then page<=0; --page為存儲(chǔ)器分頁(yè)標(biāo)志
else page<=1； --"0"代表第0頁(yè)
end if; --"1"代表第一頁(yè)
if(twmp=512 and wtmp=1023)then page_full<='1';
else page_full<='0'; --page-full為頁(yè)寫滿標(biāo)志，同時(shí)為DMA傳送申請(qǐng)信號(hào)
end if;
end if;
if(page=0)then rtmp<=0； --不同的頁(yè)置不同的數(shù)據(jù)讀地址初始值
else if(page=1)then rtmp<=512；
end if;
if(rclk'event and rclk='1')then
if(en='1' and rtmp<1024)then rtmp<=rtmp+1;
end if; --rtmp為讀地址值
end if；
代碼經(jīng)過(guò)編譯生成的原理框圖如圖3的ADD_CRE-ATE模塊。在圖形輸入編輯環(huán)境下，可以把它作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的原理圖與其他模塊連接；寫地址時(shí)鐘WCK由AD774B的STS端產(chǎn)生，每一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，地址發(fā)生器加1，讀地址時(shí)鐘RCK由DMA應(yīng)答信號(hào)DACK提供；PAGE_FULL在0頁(yè)或1頁(yè)滿時(shí)變?yōu)楦唠娖剑?jīng)D觸發(fā)器申請(qǐng)DMA傳輸，把剛滿頁(yè)的數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)內(nèi)存。
2.3 時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)
在數(shù)據(jù)采集電路中，時(shí)序邏輯電路主要解決地址譯碼、時(shí)序邏輯控制、數(shù)據(jù)鎖存等功能。用普通的中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，電路組成龐大；而用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)則簡(jiǎn)單靈活、易于更新升級(jí)。圖3中的微機(jī)譯碼電路、數(shù)據(jù)緩沖器、D觸發(fā)器等都可以在MAXPLUS II的圖形編輯環(huán)境下，從庫(kù)中直接調(diào)出。計(jì)算機(jī)在每次DMA傳送中都向外設(shè)輸出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)DACK和讀允許信號(hào)IOR，利用這個(gè)特點(diǎn)，正好把它們作為讀緩存的地址時(shí)鐘，即每DMA傳送一次，讀地址為1；AD774B每轉(zhuǎn)換完一組數(shù)據(jù)，在STS端輸出由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，剛好給寫緩存提供寫地址時(shí)鐘，同時(shí)經(jīng)過(guò)適當(dāng)延時(shí)，STS又可以送到R/C端作為A/D下一次轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)。
3 DMA的應(yīng)用
數(shù)據(jù)傳送的查詢方式和中斷方式都是在CPU的控制下進(jìn)行的，因而傳輸速度受CPU指令運(yùn)行速度的限制。直接存儲(chǔ)器存取方式，即DMA方式。存儲(chǔ)器與外設(shè)在DMA控制器控制下，直接傳送數(shù)據(jù)而不通過(guò)CPU，傳輸速率主要取決于存儲(chǔ)存取速度。所以在DMA過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸完全由DMA控制器8237A控制，不占用CPU時(shí)間。
在本換體DMA高速數(shù)據(jù)采集電路中，用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存、帶分頁(yè)功能的地址發(fā)生器以以復(fù)雜的邏輯和時(shí)序電路等，使得電路大大簡(jiǎn)化；同時(shí)硬件電路軟件化，具有可在線更新、升級(jí)容易、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。本換體DMA高速數(shù)據(jù)采集電路已成功地應(yīng)用在生物醫(yī)
學(xué)儀器、核譜獲取電路中。
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