一种基于CPLD的数据采集控制板的设计

4 频率测量

对于频率输入信号，采用等精度测频方法测量频率。这种方法在实际闸门时间为被测信号频率整数倍的条件下，对被测信号计数时产生的±1个字误差可以完全消除掉，并可使整个频率区域保持恒定的测试精度。  

图6给出了等精度测量原理图，其测量原理为：首先给出闸门开启信号（预置门控信号SWITCH的上升沿），此时计数器CNT1和CNT2并不开始计数，而是等到被测信号SIGIN的上升沿到来时，计数器才开始真正计数。经过一段时间后，预置闸门关闭信号（门控信号SWITCH的下降沿）到来时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号SIGIN的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。此时可分别读出计数器CNT1和CNT2的计数值OUT1和OUT2，用被测信号SIGIN的计数值OUT2除以标准信号CLK的计数值OUT1，再乘以标准信号CLK的频率值就得到了被测信号SIGIN的频率值。

使用时为提高测量精度，基准信号CLK可以采用高精度的时钟源，因对时钟源和被测信号同步计数，计数时间长度不会影响计算结果。图7给出了等精度测频法信号仿真波形图。

5 A/D转换器与I/O切换控制

对于模拟输入信号，采用12bit的MAX197作为A/D信号转换器。该控制字器件工作的基本过程是：首先由地址总线选通MAX197，然后通过数据总向MAX197内部寄存器写入模拟通道控制字。该控制字决定了所选的通道号、通道输入电压范围、极性以及内部或外部触发采集方式等。例如，输入电压范围为双极性、内部触发采集方式、第一通道，则应写入16进制数48H，而对第八通道则写入4FH。控制字写入后，MAX197立即启动通道转换，经过约10μs后转换完毕。转换结果放置在数据总线上，首先将其高低位切换脚HBEN置为低，此时数据总线先读取结果的低八位，再置HBEN为高，则结果的高四位放在MAX197的D0～D3口上。同时置脚INT为低，通知控制器转换完成。MAX197的转换结果用补码表示，最高位为符号位。



本系统中还具有八路开关量输入输出功能切换控制。这两种功能分别则CPLD内部的74244和74373实现。接口逻辑和如图8所示。外部接口通过光耦隔离输入输出。开关量写入的顺序是先由地址总线选通74373，然后写入相应的命令字。数据量读入与此类似。具体控制信号由EPP总线读写逻辑给出。

6 驱动软件实现

考虑到NT公司LabView环境图形化编程简例、易于实现等特点，通过设计动态链接函数库（DLL）与直接端口操作相结合实现采集板硬件驱动。在程序编制过程中，先利用VC++生成DLL，然后在LabView中使用CLF节点调用DLL。对于直接端口操作，使用LabView中的“In Port”和“Out Port”节点，对端口实现操作。当然，为使用方便起见，也可以将I/O切换控制、编码器、A/D数据采集、计数器等硬件特有功能设计成专用模块供LabView直接图形化调用。

采集控制板的上述硬件模块方案设计，可以利用适当规模的CPLD实现。此举除了成本优势外，还有体积减少、硬件集成度提高等优点，也为提高采集器可靠性创造了条件。CPLD的各种逻辑功能设计，由于有功能强大的仿真软件工具，设计过程的快速高效也不言而喻。上述设计已经在其实用测控设备中投入应用，在无板载FIFO情况下，A/D速度可以达到40kHz以上；有板载FIFO情况下，A/D速度可以达到A/D采集元件标称上限。EPP端口完全能满足板载功能模块的各类数据传输要求。通过现场反馈的情况来看，采集控制器本身的工业环境抗干扰性能和运行稳定性均表现良好。