论NIOS-II系统中A/D数据采集接口的设计与实现

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ADC0804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)。  

当系统加电后，wr_n输出一个有效的写信号启动A/D转换，经过足够的时间后(T=327μs"328μs)，输出读信号，此时数据接口单元的写允许信号wr_fifo变为有效，同时外部A/D转换器的读允许信号也变为有效，此后ADC0804的数据端口上输出有效数据，在wr_clk的上升沿将A/D转换器的数据读入FIFO。控制逻辑单元的时序仿真图如图5。  

由图5可知，wr_fifo有效时，ADC0804必须在wr_clk的上升沿到来之前在其数据端口输出有效的数据。由于wr_clk的周期为1ms，ADC0804的输出锁存由其读引脚rd控制，rd变为有效即可输出有效的数据，故只要ADC0804的读信号rd在外部输入的作用下变为有效的时间不超过500ns，读操作就不会出现问题。ADC0804的rd信号三态延时最大为200ns，典型值为125ns，因此控制信号产生逻辑单元满足要求。  
  

  
图5 控制信号时序仿真  

当NIOS系统需要读取数据时，在read和readclk上出现的是系统AVALON总线上的读时序。时序图如图6。  


  
在AVALON总线中定义了两种类型的信号，一种是高电平有效，另一种是低电平有效。在本设计中选用的是高电平有效的类型。图6是低电平有效的总线信号，与之对应的高电平有效的总线信号时序图中，read在有效时为高电平对应于图6中的readn的低电平部分。而address，be-n和chipselect在此可以不与考虑，添加到AVALON总线时，系统会自动处理其连接问题。   

当系统不读取A/D转换的数据时，采集的数据由数据处理单元控制处理。数据处理单元实现了对外部信号量的异常检测，即，当外部信号的幅值超出设定范围时，该单元产生一个中断信号，通知CPU采取相关处理措施，否则，在FIFO满的时候，将其内容清空。