多模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行接口的FPGA 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸 鵬，王 晶，臧 越

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450）

在井下儀器項(xiàng)目開發(fā)中，地層響應(yīng)信號(hào)較微弱（10～100 nA 級(jí)）且環(huán)境噪聲較大，加上對(duì)高測(cè)速的需求，因此在進(jìn)行信號(hào)采樣時(shí)需要較高的精度和速度。此外，儀器使用了多頻率的發(fā)射信號(hào)和多個(gè)接收電極，因而需要使用多通道的采樣電路進(jìn)行信號(hào)采集。

為實(shí)現(xiàn)高速高精度多通道采樣，需要具有高采樣率和高位數(shù)的ADC 器件以及能夠?qū)崿F(xiàn)高速采樣的多通道接口電路。因FPGA 器件具有高速、可重構(gòu)性、管腳豐富等特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中使用FPGA 來實(shí)現(xiàn)ADC 的接口電路。文中基于ADI 公司的ADC——AD7674 進(jìn)行FPGA 并行接口設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)多通道的高速高精度數(shù)據(jù)采集。

1 AD7674簡(jiǎn)介

AD7674 是ADI 公司生產(chǎn)的18 位分辨率、最大非線性積分誤差2.5LSB、最高800 kSps 采樣率的單通道全差分輸入ADC[1]。它采用逐次逼近型(SAR)結(jié)構(gòu)，具有低功耗、高精度、無延時(shí)等特點(diǎn)。AD7674 有WARP、NORMAL、IMPULSE 3 種轉(zhuǎn)換模式，在WARP模式下采樣率最高可達(dá)800 kSps。

數(shù)據(jù)通信接口有并口模式（8 位、16 位、18 位總線）和SPI 串口模式。采用SPI 串口通信的設(shè)計(jì)如文獻(xiàn)[2-3]中所討論，這種方式具有占用管較少、連接簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但傳輸速度受限于串行時(shí)鐘SCLK，如當(dāng)傳輸18 位串行數(shù)據(jù)時(shí)需要18 個(gè)SCLK 時(shí)鐘；而采用并口通信時(shí)，18 位采樣數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)在并口總線，一個(gè)時(shí)鐘即可讀取，速度上有明顯優(yōu)勢(shì)，而缺點(diǎn)是占用管腳較多、連接較復(fù)雜。

在測(cè)量精度方面，當(dāng)參考電壓為2.5 V時(shí)，AD7674的最小量化電平為9.5 μV,誤差為±23.8 μV,遠(yuǎn)低于目標(biāo)信號(hào)最小幅值，完全滿足測(cè)量要求。

為實(shí)現(xiàn)高速采樣，文中采用了WARP 轉(zhuǎn)換模式及18 位并口數(shù)據(jù)通信模式。

2 AD7674接口工作原理

AD7674 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換原理在文獻(xiàn)[1-2]中均有介紹，這里不再贅述。為實(shí)現(xiàn)AD7674 的FPGA接口，重點(diǎn)介紹其接口工作原理。設(shè)計(jì)中將AD7674的接口分為模數(shù)轉(zhuǎn)換控制和數(shù)據(jù)讀取控制兩個(gè)部分進(jìn)行分析[4]。

圖1 模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)序

圖2 從機(jī)讀并口時(shí)序(轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀數(shù)據(jù))

AD7674 使用WARP、IMPULSE 兩根信號(hào)線來設(shè)置轉(zhuǎn)換模式，當(dāng)使用WARP 模式時(shí)，WARP=1、IMPLUSE=0。使用MODE0、MODE1、D0/OB/、PD等信號(hào)線來設(shè)置通信接口模式、數(shù)據(jù)輸出格式、低功耗模式等。當(dāng)使用18 位并口時(shí)，MODE0=0、MODE1=0，D0/OB/在此模式下為并口總線的Bit0位，數(shù)據(jù)輸出格式為標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制格式。這些信號(hào)可以通過在AD7674引腳設(shè)置固定電平的方式來配置，也可以將其與FPGA 的引腳相連，通過FPGA 來配置，這樣的優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)需要靈活更改ADC 配置。

3 多通道接口設(shè)計(jì)

由于AD7674 為單通道輸入，因此若要實(shí)現(xiàn)多通道的信號(hào)采集，則需要多片AD7674。ADC 的接口設(shè)計(jì)就是對(duì)其控制信號(hào)的設(shè)計(jì)，根據(jù)其工作時(shí)序在FPGA 上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信號(hào)及邏輯。多通道接口的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)在多個(gè)ADC 情況下進(jìn)行有序高效的數(shù)據(jù)讀取[5]。文中根據(jù)AD7674 的特性，采用單獨(dú)使能信號(hào)輪詢ADC 的方法，進(jìn)行多ADC 的數(shù)據(jù)讀取[6-7,14]。

以兩ADC 并行接口設(shè)計(jì)為例，AD7674 的控制信號(hào)按照?qǐng)D3 的方式與FPGA 進(jìn)行連接。

圖3 兩AD7674與FPGA的信號(hào)連接

4 FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

FPGA 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)根據(jù)AD7674 的接口原理亦分為模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取兩部分進(jìn)行。文中程序代碼使用VHDL 語言[10]。

結(jié)合圖3，SYSCLOCK（系統(tǒng)時(shí)鐘）、Din（18 位并行總線）以及ADC_Busy 信號(hào)為FPGA 輸入信號(hào)，其他信號(hào)均為FPGA 輸出信號(hào)，模塊的端口代碼如下：

數(shù)據(jù)讀取部分根據(jù)AD7674 的并口時(shí)序，當(dāng)檢測(cè)到BUSY 信號(hào)為低時(shí)，將信號(hào)置低，開始準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，接著按需要將指定ADC 的信號(hào)置低。在信號(hào)變低的t12時(shí)間后，ADC 會(huì)將當(dāng)前的轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到并口總線上，此時(shí)FPGA 可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。待完成此ADC 的數(shù)據(jù)讀取后，置高該信號(hào)，同時(shí)使能下一個(gè)ADC 的信號(hào)，進(jìn)行下一個(gè)ADC 的數(shù)據(jù)讀取。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)ADC采樣數(shù)據(jù)的讀取。

以上邏輯采用狀態(tài)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如 圖4 所 示，分 為ADC_init、ADC_start、ADC_wait、ADC_read等狀態(tài)[13]。數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)代碼如下：

圖4 數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

5 仿真結(jié)果

假設(shè)被測(cè)信號(hào)頻率為100 kHz，后期處理需要進(jìn)行8 點(diǎn)FFT 計(jì)算，則采樣時(shí)鐘需要800 kHz，AD7674最大采樣率為800 kSps，因此能夠滿足要求。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為32 MHz 時(shí)，進(jìn)行40 分頻可得到800 kHz 的采樣時(shí)鐘。

在仿真testbench 中，對(duì)輸入型信號(hào)進(jìn)行如下配置：SYSCLOCK 為32 MHz；Din 采樣輸入值設(shè)定為模擬值；ADC_Busy 信號(hào)在下降沿t3時(shí)間（35 ns）后產(chǎn)生；脈沖寬度為t4（1 μs）。

使用testbench 在ModelSim 仿真軟件中對(duì)FPGA接口程序進(jìn)行仿真[15-16]，仿真結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 總體仿真波形

圖6 起始部分仿真波形

分析仿真波形可知，SYSCLOCK 頻率為32 MHz，采樣時(shí)鐘輸出為800 kHz（占空比為50%）。ADC_Busy 信號(hào)在下降沿后35 ns 產(chǎn)生上升沿，RD 讀使能信號(hào)則在ADC_Busy 下降沿120 ns 后置低，此時(shí)開始準(zhǔn)備讀取AD7674 并口數(shù)據(jù)。RD 置低240 ns 后，開始置低CS0，使能ADC0 數(shù)據(jù)輸出，此時(shí)ADC0 的18 位并行數(shù)據(jù)出現(xiàn)在總線上，在請(qǐng)求到數(shù)據(jù)有效45 ns（t12）后，讀取數(shù)據(jù)到FPGA 內(nèi)部的18位Buffer，完成采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。CS0 持續(xù)2 μs 后，置低CS1，開始使能ADC1，按同樣方法處理ADC1 的并行數(shù)據(jù)。上述工作均在的一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，而且數(shù)據(jù)讀取處理的時(shí)間裕度較大，能夠保證程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。

以上結(jié)果表明，程序?qū)崿F(xiàn)了目標(biāo)邏輯，符合AD7674的工作時(shí)序要求，能夠有效穩(wěn)定地讀取多ADC 的并口數(shù)據(jù)。將程序綜合編譯并下載到實(shí)際的電路中進(jìn)行測(cè)試，亦能得到正確的結(jié)果。

6 結(jié)論

文中首先介紹了AD7674 的特點(diǎn)和接口工作原理，然后詳細(xì)分析了其接口工作時(shí)序，通過采用單獨(dú)使能信號(hào)輪詢ADC 的方法，實(shí)現(xiàn)多通道的并口數(shù)據(jù)讀取。文中給出了基于該思路下兩ADC 并行轉(zhuǎn)換接口的FPGA 代碼，并給出了仿真結(jié)果。

設(shè)計(jì)中需要注意的是，F(xiàn)PGA 輸出信號(hào)的時(shí)間要求應(yīng)符合ADC 的工作時(shí)序，否則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取異常錯(cuò)誤。另外，如果將文中方法應(yīng)用在其他ADC，則需注意其信號(hào)是否對(duì)轉(zhuǎn)換有影響，當(dāng)禁止時(shí)，ADC 會(huì)停止轉(zhuǎn)換，則文中方法不適用。

文中介紹的FPGA 接口設(shè)計(jì)方法可應(yīng)用到逐次逼近型ADC 的采集驅(qū)動(dòng)中，適用于多通道高速高精度的信號(hào)采集等場(chǎng)景。