在FPGA系统中，实现对外部A/D数据采集电路的控制接口逻辑，由于其逻辑功能不是很复杂，因此可采用自定义的方式。采用这种方法进行设计有两种途径。①从软件上去实现。这种方案将NIOS处理器作为一个主控制器，通过编写程序来控制数据转换电路。由于NIOS处理器的工作频率相对于外部设备来说要高出许多，故此种方法会造成CPU资源极大的浪费；②用FPGA 的逻辑资源来实现A/D采集电路的控制逻辑。FPGA有着丰富的逻辑资源和接口资源，在其中实现并行的数据采集很少会受到硬件资源的限制，在功能上，设计的接口控制逻辑相当于一个主控制器，它是针对具体的外部电路而实现的，容易满足要求、又能节约资源，提高系统性能。因此，采用硬件逻辑去实现控制将是一种较好的方式。

　　设计方案

　　通过对系统需求进行仔细分析，此模块的功能设计可分为数据采集控制逻辑、数据接口、数据处理逻辑三部分，其整体功能框架图如图1。

图1 模块功能框图

　　说明：AVALON总线主要是用于连接片内处理器与外设，以构成可编程单芯片系统。

　　功能描述

• 数据采集控制逻辑：产生A/D转换需要的控制信号。
• 数据接口：提供一个外部A/D采集的数据流向AVALON总线的数据通道，主要是完成速度匹配，接口时序转换。
• 数据处理单元：此部分主要是提供一些附加功能，如检测外部信号或内部其它单元的工作状态，进行简单信息处理。

　　设计分析

　　数据采集控制逻辑

　　在此以典型的模数转换芯片 ADC 0804为例，进行电路设计，ADC0804的数据宽度为8位，数据转换时间最快为100ms，转换时钟信号可以由内部施密特电路和外接RC电路构成的震荡器产生，也可以直接由外部输入，其频率范围：100KHz~1460KHz。在本设计中ADC0804的时钟为最大输入频率，控制信号时序如图2。

图2 ADC0804控制信号时序图

　　由ADC0804的时序可知，转换过程由一个写信号启动，转换完成后，输出INTR信号，此时可以读取数据。之后即可

进入下一个转换周期。由ADC0804的转换时间可知，其最大采集频率为10KHz，只要用户设置的采样频率不超过这个数值，ADC0804就可以正常的工作。因此设计时要注意两点：①写信号的频率要低于ADC0804的最大转换频率；②在写信号之后至少要有100ms的时延，才能输出读信号。

　　在此，提出两种方法来实现ADC0804的控制信号时序：①主动模式—控制电路启动A/D转换后，在INTR信号的作用下，输出读信号，同时从ADC0804的数据总线上读入数据，之后输出一个写信号，开始下一次转换。②被动模式—ADC0804的读写信号完全由控制电路按照固定的时序产生，与其自身输出无关。

　　数据接口

　　相对于AVALON总线信号来说，A/D采样的速率非常低，而且，AVALON总线的接口信号和ADC0804数据输出的接口信号时序不一致。因此，要实现满足要求的数据通道，要做到两点：①数据缓冲，实现速率匹配；②信号隔离，实现接口时序的转换。解决这两点，可以将两端口通过一个异步的FIFO连接，该FIFO应该是可以在不同的时钟信号下进行异步的读写。这样的一个FIFO的实现可以在Quartus-II里面用ALTERA公司提供的FIFO Core进行定制。在本设计中，定制的FIFO模块如图3。

图3 FIFO模块

　　设计实现

　　图4为在Quartus-II中设计实现的ADC0804 数据采集接口 控制模块的原理图。

图4  A/D数据采集控制模块原理图

　　其中read、readdata、reset、IRQ分别与AVALON总线相同命名的信号线相连，readclk与AVALON总线中clk相连， AD_50与FPGA的系统时钟相连，wr_n、rd_n、writedata分别与ADC0804的写信号线、读信号线、数据线相连。ADC0804控制信号产生单元的实现，采用的是上文提到的被动模式，该单元以固定的时序产生读写信号，本设计使用的采样频率约为3200Hz，此频率可以根据用户的需要而设定( 不大于10KHz即可)。

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