基于EPM7128SQC100和AD9054BST實現120MHz高速A/D采集卡的設計

高速A／D采集技術已在許多領域得到愈來愈廣泛的應用，本文將詳細論述采用CPLD技術來實現120MHz高速A／D采集卡的設計方法，該采集卡具有包括負延遲觸發在內的多種觸發方式，采用CPLD復雜可編程邏輯器件（又稱FPGA）EPM7128SQC100－7和AD公司的高速模數轉換器（A／D）AD9054BST－135來實現。

1 芯片介紹

1．1 EPM7128SQC100－7簡介

EPM7128SQC100－7內含128個宏單元（或2500個可用門），其引腳到引腳的最短傳輸延時為7ns，采用單＋5V電源供電，可通過 JTAG接口實現在線編程，并帶有可供84個用戶使用的I／O腳（其中4個為專用輸入腳）。該器件采用PQFP－100封裝。其中TDI、TDO、 TMS、TCLK腳為編程腳；GCLK、GOE、GCLEAR、REDIN腳為專用輸入腳；VCCINT、VCCIO腳接＋5V電源；GND腳接地； I／O為用戶可編程輸入輸出腳。在I／O腳作輸出使用時，可由用戶設定為0，1和Z三種狀態。

1．2 AD9054BST－135簡介

AD9054BST－135是一種低價位135MSPS的8位A／D轉換器，其模擬輸入電壓峰峰值為1V，且內置2．5V參考電壓，采用＋5V單電源供電，并可與TTL電平接口，具有單8位或雙8位A／D轉換結果輸出模式，采用TQFP－44腳封裝形式，其內部結構如圖1所示，各管腳的定義如下：

使用時，如將接地，則AD9054工作于雙8路數據輸出模式。上電后，DA7～DA0及DB7～DB0均以二分之一的ENCODE頻率（即120MHz／2）輸出A／D 轉換結果，因此從DA7～DA0及DB7～DB0讀取的A／D轉換結果，無法知曉DA口與DB口的數據所對應的采樣點在時序上的先后。這樣，需要加一個數據同步脈沖DS信號，并讓DS正脈沖的后沿后的4個時鐘周期上的DA口與DB口同步有效，即在DS后沿的第2N＋1與2N＋3個ENCODE上升沿期間輸出第K點采樣值的轉換結果；在DS后沿后第2N＋2與2N＋4個ENCODE上升沿期間輸出第K＋1點采樣值的轉換結果（注：N≥1，K≥0，K＝0對應的采樣值為DS下降沿后ENCODE第一次上升沿時刻所對應的采樣輸入值）。因此，在施加DS信號后就可以得知任一時刻A口數據與B口數據所對應的采樣點在時間上的先后順序，以便讀取有用的A／D轉換數據。

2 系統設計原理

圖2是基于CPLD的高速 A／D采集卡的系統設計原理框圖。圖中，89C51送往EPM7128S的控制信號包括一個A／D啟動信號SAD、一個讀SRAM信號RRD和一個地址加一控制脈沖ACLK。而EPM7128S送往AD9054的信號為一個DS同步信號，送往89C51的信號為轉換結束信號（接INT0）和超前觸發地址串行輸出信號SADR。

EPM7128S送往61128－15SRAM的信號包括讀信號RD、寫信號WE、數據信號DINA0～7和DINB0～7以及地址信號ADR0～16。其中兩片SRAM的地址信號共用。為了節省EPM7128S的I／O口線，可將61128－15的片選線接地。

QA信號為外觸發A／D轉換控制信號。

在本文所介紹的A／D數據采集卡中，負延遲觸發存貯深度為2k字節。上電復位后， 89C51向EPM7128S發一個A／D啟動信號時，EPM7128S也會發一個DS同步脈沖給AD9054，在四個時鐘后，EPM7128S輸出WE 信號有效，同時將AD9054輸出的雙8位數據信號以60MHz的頻率經鎖存處理后送往SRAM，每鎖存AD9054數據一次（2字節）將地址 ADR0～13加1。當地址為3FF時（即1k），清地址計數器以使其為零。此后，地址計數器仍以60MHz的頻率加1計數，而鎖存器仍以60MHz的頻率鎖存雙8位數據并寫入SRAM。當地址為3FF時再一次清零，在外觸發信號QA到來之前，CPLD就這樣控制著整個電路以使其在2k字節存貯深度內作超前循環采集。當某一時刻的QA信號到來時，CPLD首先將此時的地址信號的前10位ADR0～9鎖存，隨后將地址計數器置為400H，而后地址計數器仍以 60MHz的頻率加1計數，而鎖存器也以60MHz的頻率鎖存雙8位數據并寫入SRAM。當地址計數器為1FFFFH（即128k）時，地址計數器停止計數，鎖存器停止鎖存數據并對外輸出高阻態，CPLD向89C51送出轉換結束信號ADEND，并置WE信號無效。

當89C51收到ADEND中斷信號后，就可以讀取SRAM中的A／D數據以及CPLD中的超前地址ADR0～9。首先89C51將送出一個RRD信號給 EPM7128S，EPM7128S收到RRD信號后立即置RD信號有效，同時將地址計數器清零。此時，兩片SRAM均輸出地址為0的單元的數據，同時由 CPLD的SADR線輸出負延遲觸發地址ADR0～9中的ADR0位。89C51則可通過P0和P2口由DINA和DINB分別讀取SRAM中的數據，并通過P1口由SADR讀地址ADR0位。此后89C51便向EPM7128S發出一個地址加一脈沖ACLK，EPM7128S在收到這個ACLK脈沖后使 ADR0～13加1，同時CPLD由SADR線輸出負延遲觸發地址ADR0～9中的ADR1位。這樣，89C51便可通過不斷地發ACLK脈沖來使P0、 P2口的DINA和DINB分別讀取SRAM中的數據，并通過P1口來由SADR讀負延遲觸發地址ADR0～9。

3 CPLD部分的設計

由于EPM7128SQC100的內部邏輯電路是整個系統設計的關鍵，因此，了解EPM7128SQC100的內圖2基于CPLD的高速A／D采集卡統框圖基于復雜可編程邏輯器件（CPLD）的120MHz高速A／D采集卡的設計部結構十分重要。圖3是其內部結構原理框圖。

圖3中有三個574鎖存器，其作用是將AD9054輸出的在時序上未對齊的DA、DB兩組數據變為時序上對齊的兩組數據DINA、DINB，圖4是其對齊操作時序圖。

將120MHz信號二分頻后所得到的60MHz信號可作為整個邏輯電路的工作頻率。工作時，同步控制電路首先將外輸入信號與內部60MHz信號同步，然后送往各單元電路。地址計數器的工作情況有兩種：一是進行A／D采集時以60MHz頻率計數，二是89C51讀數時以ACLK脈沖頻率計數。RD、WE發生電路的作用是當89C51發SAD信號時，電路輸出WE信號有效，RD信號無效；而當89C51發RRD信號時，電路輸出RD信號有效，WE信號無效。 DS信號發生電路的作用是在收到89C51的SAD信號時發送一個DS正脈沖。

10位移位寄存器的作用是當外觸發信號QA到達時將地址計數器中的ADR0～9鎖存，當收到RRD信號后，系統每接收一個ACLK脈沖便將寄存器移位輸出一次，順序是低位在前。

4 單片機的軟件設計

單片機的軟件設計主要是負責把各種控制信號和數據送給CPLD，并把采集到的數據通過接口送到上位機或其它設備。本卡中的接口有串口和并口兩種類型。對CPLD的操作的軟件流程框圖如圖5所示。