基于16位單片機和CPLD實時數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)設(shè)計

2 系統(tǒng)構(gòu)成
該系統(tǒng)中待采集顯示電壓信號共16路，動態(tài)電壓范圍為－22~+27 V。由于這些電壓信號變化頻率較低，或者認為頻率無變化，且檢測系統(tǒng)只關(guān)心其電壓值，所以在低采樣率下就可滿足系統(tǒng)要求。根據(jù)需求，系統(tǒng)設(shè)計的采樣率即顯示刷新速率在1．56 k／s以上。
采用單片機80C196KB和可編程邏輯器件EPM7128SLC為核心控制器，以80C196KB內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)16路電壓信號的實時數(shù)據(jù)采集、顯示、控制。＝ 整個系統(tǒng)主要由信號預(yù)處理、信號選通、單片機采集、雙機數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理顯示等模塊構(gòu)成。其中，信號選通模塊由CPLD和多路模擬選擇器組成。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
3．1 信號預(yù)處理電路
由于待采集電壓信號輸入動態(tài)范圍較寬，且極性各異，對于單片機A／D轉(zhuǎn)換器來說，需要調(diào)理到能夠采集的電壓范圍闈0~5 V，所以要統(tǒng)一調(diào)理采集信號。

運放LM224和MC1556均采用雙電壓供電，以提高動態(tài)信號輸入范圍；電阻均采用精度為0．1％的精密型金屬膜電阻，以提高電壓轉(zhuǎn)換精度。
在二級電壓凋理過程中，MC1556同相輸人端采用穩(wěn)壓電路以減少長時間通電情況下溫度升高對系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響。南于電壓跟隨器具有輸入阻抗大和輸出驅(qū)動能力強的特點，故在預(yù)處理電路的輸入端和輸出端均采用電壓跟隨電路。
3．2 信號選通電路
ADG508A是一款8通道CMOS模擬多路選擇器，具有高速轉(zhuǎn)換速度和低內(nèi)阻特性，通道切換具有防短路功能。在CPLD控制下，它可對采集信號進行有序通道切換，配合單片機進行數(shù)據(jù)采集。
EPM7128SLC是一款A(yù)hera公司生產(chǎn)的CPLD，其容量為128個宏單元，采用硬件描述語言VHDL對CPLD編程設(shè)置實現(xiàn)信號的選通控制。首先編寫分頻器模塊對1 MHz晶體振蕩器進行20分頻，輸出2路相位相錯、周期為20 μs的矩形同步信號。其中一路信號經(jīng)D觸發(fā)器進行2分頻，得到占空比50％、周期為40μs的方波信號；然后編寫信號選通控制模塊。此模塊根據(jù)方波信號和另一路同步信號循環(huán)輸出控制信號，兩模塊都在MuxPlus-II環(huán)境下開發(fā)，CPLD控制信號時序仿真結(jié)果如圖3所示，其中，信號FRM和ROAD是單片機主程序運行的勤務(wù)信號；CS1和CS2是2片ADG508A的片選信號：A0、A1和A2則是ADG508A通道選通控制信號。
3．3 單片機采集電路
80C196KB是Intel公司生產(chǎn)的一款16位CMOS單片機，片內(nèi)集成有8路A／D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括一個8通道多路模擬開關(guān)，采樣保持電路和10位A／D轉(zhuǎn)換器。由于該系統(tǒng)外部有多路選擇器，故內(nèi)部無需通道轉(zhuǎn)換，采用一個ACH0通道即可完成數(shù)據(jù)采集。對于采用12 MHz晶振的單片機系統(tǒng)，完成一次A／D轉(zhuǎn)換需22μs。80C196KB的A／D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近的方法完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，基準電壓設(shè)定非常關(guān)鍵，內(nèi)部阻容網(wǎng)絡(luò)將基準電壓Vref等分為1 024個階梯，每級為Vref／1 024 V。通過與基準電壓比較，可得到10位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，其中基準電壓的精度以及穩(wěn)定度直接影響到測量結(jié)果的絕對精度。因此在電路中Vref采用單獨電源供電并通過基準穩(wěn)壓源如LM136的5 V提高精度及穩(wěn)定度。
80C196KB通過判斷ROAD信號在其上升沿讀取上次A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，同時啟動A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換下一路信號，該單片機用FRM信號作為非屏蔽中斷使計數(shù)器DXL歸零，主程序循環(huán)一次，保證對16路通道信號的時分復用采集。