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基于FPGA控制的电压采集与显示系统设计

作者：杨传贺

来源：《数字技术与应用》2011年第09期

摘要：本次设计主要是将采样来的模拟电压信号转换为数字信号输出到液晶显示器进行显示。FPGA对按键进行检测，通过按键切换不同的AD转换电路采集电压，AD启动转换结束后，将得到的数据送到LCD1602显示结果。 关键词：FPGA 电压采集 A/D转换 VHDL

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)09-0217-02 1前言

在工业系统中，现场电压采集和显示有着广泛的应用。传统方法多使用单片机完成现场电压采集和向上位机传输数据的任务，然而由于单片机的运行速度慢和宜于受到干扰而出现死机等问题，在实时性和可靠性要求高的地方不能应用。而FPGA的快速性、可靠性以及易更新性使得它成为完成这一任务的目前最好的选择。利用FPGA设计的模块非常简洁，只用一个芯片就可以完成很多复杂的任务。非常适合用在各类嵌入式系统中。

本论文设计基于FPGA控制的电压采集系统设计。FPGA对按键进行检测，通过按键切换不同的AD转换电路采集电压，AD启动转换结束后，将得到的数据送到液晶显示器上显示结果。论文要求采用Protel绘制原理图；在QUARTUSII中使用VHDL语言以及原理图法完成软件功能设计。

2多功能充电器的设计

本文在详细分析设计任务书的基础上，了解对各个器件的要求,并以PGA EP2C8芯片作为主控制器, TLC549为A/D转换器，使用VHDL语言作为程序语言,应用PROTEL完成电路图设计，实现了基于FPGA控制的电压采集系统设计。 2.1硬件设计的实现

本论文设计的硬件框图，如图1：

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本设计的关键在于FPGA模块、A/D转换器模块、液晶显示模块的设计，在此重点介绍，另外还有电源电路、键盘电路以及时钟信号等。 （1）FPGA模块设计的设计

现在考虑硬件的选取，首先考虑系统的核心部分——主控制器的选择。本次设计主要是采用FPGA EP2C8芯片作为主控制核心。因为本文中用到其以下特点：采用FPGA EP2C8设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片；FPGA EP2C8可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片；FPGA EP2C8内部有丰富的触发器和I/O引脚；FPGA EP2C8是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；FPGA EP2C8采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容；FPGA EP2C8芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。下面是其中几个典型部分的电路图。

晶振电路。FPGA中的晶振主要是保持系统内的各部分工作可同步，还有提供时序的标准时刻，让电路按准确时序工作。

JTAG的四个接口TMS、TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。

配置芯片电路。FPGA 在正常工作时，它的配置数据存储在SRAM中，加电时须重新下载。在实验系统中，通常用计算机或控制器进行调试。在实用系统中，多数情况下必须由FPGA主动引导配置操作过程，这时FPGA将主动从外围专用存储芯片中获得配置数据，而此芯片中FPGA配置信息是用普通编程器将设计所得的 pof格式的文件烧录进去。本设计对FPGA芯片的配置中，采用AS(主动配置)模式的方法，采用EPCS1S18芯片。 （2）AD转换电路设计

本次设计选用的是八位分辨率A/D转换器TLC549，其主要特点如下所示：8位分辨率A/D转换器；微处理器外设或独立工作；差分基准输入电压；转换时间为17usMax；每次总存取与转换周期数高达40,000；片内软件可控采样——保持；总不可调整误差（Total Unadjusted Error）--- ±0.5LSB Max；4MHz典型内部系统时钟；宽电源范围:3V至6V；低功耗:15mW Max。

采用了两路A/D转换，在液晶显示的第一行和第二行分别进行显示转换结果。A/D转换部分包括：时钟信号CLOCK、复位信号Reset、转换使能端EN、数据输入输出端和片选控制端CS。TLC549转换电路原理图如图4。

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LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，显示容量为16*2字符，模块的最佳工作电压为5V。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。 （4）其他部分设计

电源电路：电源电路为各个电路提供所需要的电源。分别产生3.3v和1.2V电压。本设计使用的是LM1085，最大输出电压为3.3V；同时采用1117-1.2V芯片将3.3V电压转换为1.2V的输出电压。键盘电路：本设计的按键电路采用自锁按键，当按下某个按键且为低电平时，认为其对应的AD通道被选中，将启动对应通道的A/D转换。 2.2软件设计的实现

在软件设计工具的选取方面，本次设计编程语言使用了VHDL和Verilog HDL两种语言，在Quartus II软件上进行程序编程。此次设计软件部分所要实现的功能包括：FPGA可以检测按键来选择不同的AD转换通道，实现采样电压的A/D转换控制，并输出AD转换结果到液晶显示。

主函数软件流程图，如图6。

在本设计硬件基础上，FPGA通过按键检测，决定采样电压通道的选择，然后启动对应通道的A/D转换，转换结束后并最终输出到LCD1602液晶显示器上。 3结论

利用FPGA实现的电压采集和监控系统的核心部分，具有速度高、可靠性强、体积小的特点，可以广泛的应用于工业系统中，具有很强的适用性。

本设计易于扩展，在不改变电路的前提下，只要稍微改变VHDL的源程序，就可实现复杂的数据采集系统。设计比较简单，易于理解，但对FPGA芯片资源的的利用率不高，因此本设计有很大可修改之处。 参考文献

[1]赵艳华,曹丙霞,张睿.基于Quartus II的FPGA/CPLD设计与应用.电子工业出版社,2009. [2]纪宗南.集成A/D转换器应用技术和实用线路.中国电力出版社,2009. [3]卢毅,赖杰.VHDL与数字电路设计.科学出版社,2001.