應(yīng)用于晶體管圖示儀的CPLD控制器設(shè)計(jì)

2．1 A／D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)鎖存器
A／D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集電路重要的部件之一，本系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器采用Maxim公司的MAX197。
MAX197是一款多量程的12位A／D轉(zhuǎn)換器，8路模擬信號(hào)輸入，輸出數(shù)據(jù)線8條，分為高4位和低8位輸出，由HBEN端控制。當(dāng)時(shí)鐘頻率為2 MHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為6μs。MAXl97在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要輸入一個(gè)8位控制字，這個(gè)控制字若由單片機(jī)提供將使啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，難以提高采集速度，所以這里用到一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器74LS373來(lái)保存控制字。
2．2 存儲(chǔ)器和地址發(fā)生器
存儲(chǔ)器采用兩片2114,它是一款4 b×1K靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。2114在存取數(shù)據(jù)時(shí)，除了需要外部提供片選信號(hào)和讀寫(xiě)信號(hào)外，還需要提供地址信號(hào)。地址信號(hào)由地址發(fā)生器產(chǎn)生，地址發(fā)生器實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)器。
2．3 控制器
控制器是數(shù)據(jù)采集電路的核心，由CPLD內(nèi)部模塊實(shí)現(xiàn)。這里的CPLD選用Altera公司的EPM7064。EPM7064有64個(gè)宏單元，1 250個(gè)可用門(mén)類(lèi)，36個(gè)I／O腳。從可行性方面來(lái)說(shuō)，RAM、地址發(fā)生器、74LS373和控制器都可以同時(shí)做到CPLD中，但RAM需要100個(gè)節(jié)，用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)將占用大量資源，僅一片EPM7064就不夠用。所以為了節(jié)省資源，降低成本，這里采用外接RAM2114。74LS373也采用外接方式，主要是考慮端口不夠用。因此在CPLD內(nèi)部?jī)H安排了控制器和地址發(fā)生器(圖3虛線框內(nèi))。

3 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3．1 采集點(diǎn)數(shù)的確定及控制器接口要求
晶體管特性曲線中，輸出特性曲線是最復(fù)雜的。輸出特性曲線一般由8～10條線組成。在本系統(tǒng)中，每條線由50個(gè)點(diǎn)連接而成。每個(gè)點(diǎn)由一個(gè)電壓值和_個(gè)電流值確定，每個(gè)電壓(或電流)數(shù)據(jù)占兩字節(jié)存儲(chǔ)單元(數(shù)字量12位)，則每條曲線的電壓值(或電流值)就占100個(gè)字節(jié)。電壓值和電流值本應(yīng)該在同一時(shí)刻采集，但為了節(jié)省A／D轉(zhuǎn)換器和其他硬件，這里把電壓和電流安排在不同的掃描周期內(nèi)采集，只要采集時(shí)間與各自的掃描周期起始時(shí)間間隔一一對(duì)應(yīng)就可以保證精度，時(shí)間誤差在1μs之內(nèi)。
每一組電壓或電流數(shù)據(jù)的采集都是在一個(gè)掃描電壓的上升時(shí)間段完成。掃描電壓是把50 Hz交流電壓經(jīng)整流產(chǎn)生，所以每個(gè)掃描電壓所占時(shí)間是10 ms，掃描電壓的上升段時(shí)間就是5ms。如果5 ms時(shí)間內(nèi)要采集50個(gè)數(shù)據(jù)，則每個(gè)數(shù)據(jù)占用時(shí)間為100μs。10條曲線將占用20個(gè)掃描周期。
在每個(gè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間(100μs)內(nèi)，控制器首先從鎖存器74LS373中讀取“控制字”送入A／D轉(zhuǎn)換器，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器工作，進(jìn)入轉(zhuǎn)換等待狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，控制器從A／D轉(zhuǎn)換器分別讀取數(shù)據(jù)的高字節(jié)和低字節(jié)存入RAM中，然后等待下一個(gè)采集周期。待50個(gè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，控制器向單片機(jī)發(fā)出采集結(jié)束信號(hào)。所以控制器要產(chǎn)生74LS373的讀信號(hào)、A／D轉(zhuǎn)換器的片選和讀寫(xiě)信號(hào)、存儲(chǔ)器片選和讀寫(xiě)信號(hào)、地址發(fā)生器的時(shí)鐘和清零信號(hào)等，還要接受單片機(jī)的采集指令信號(hào)和50 Hz交流電同步信號(hào)，返回單片機(jī)采集結(jié)束信號(hào)等。