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1、 FPGA課程設(shè)計(jì) 題 目：基于FPGA的多通道采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 （系）：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)：電子信息工程12-01 20 摘 要 本論文介紹了基于FPGA的多通道采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。用FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)多通道采樣控制器，利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7892的控制。由于FPGA器件的特性是可以實(shí)現(xiàn)高速工作，為此模擬信號(hào)選用音頻信號(hào)。由于音頻信號(hào)的頻率是20Hz-20KHz,這樣就對(duì)AD轉(zhuǎn)換的速率有很高的要求.因?yàn)镕PGA的

2、功能很強(qiáng)大，所以我們把系統(tǒng)的許多功能都集成到FPGA器件中，例如AD通道選擇部分，串并輸出控制模塊，這樣使得整個(gè)系統(tǒng)的外圍電路簡(jiǎn)單、系統(tǒng)的穩(wěn)定性強(qiáng)。FPGA的配置模式選用被動(dòng)串行模式，這樣就增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。輸出模式可選擇性使得系統(tǒng)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，串行輸出可以用于通信信號(hào)的采集，方便調(diào)制后發(fā)射到遠(yuǎn)程接受端，遠(yuǎn)程接收端對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)；而并行輸出模式則可以通過(guò)高速存儲(chǔ)器將采集的信號(hào)放到微機(jī)或者其他的處理器上，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。此系統(tǒng)的缺點(diǎn)是由于FPGA器件配置是基于SRAM查找表單元，編程的信息是保持在SRAM中，但SRAM在掉電后編程信息立即丟失，所以每次系統(tǒng)上電都需要重新

3、配置芯片，這對(duì)在野外作業(yè)的工作人員很不方便，解決的方法是專用的配置器件來(lái)配置FPGA，在每次系統(tǒng)上電的時(shí)候會(huì)自動(dòng)把編程信息配置到FPGA芯片中。但設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用到這種配置方案主要是考慮到專用配置器件的價(jià)格問(wèn)題。 本文開始介紹了多通道系統(tǒng)的組成部分，然后分別介紹了各個(gè)組成部分的原理和設(shè)計(jì)方法,其中重點(diǎn)介紹了FPGA軟件設(shè)計(jì)部分。還對(duì)當(dāng)前十分流行的基于FPGA的設(shè)計(jì)技術(shù)作了簡(jiǎn)單的闡述，最后對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試和應(yīng)用作了簡(jiǎn)短的說(shuō)明。 關(guān)鍵詞：音頻放大；濾波器；FPGA；VHDL；AD7892；有限狀態(tài)機(jī)； 目 錄 摘要 2 引言3

4、 1 題目來(lái)源3 2 研究意義3 3 多通道采樣系統(tǒng)的組成3 4 方案設(shè)計(jì)4 5 單元電路的設(shè)計(jì)4 5.1音頻放大、濾波部分4 (1)音頻放大部分 4 (2)有源濾波器的設(shè)計(jì) 4 5.2 AD采樣電路5 5.3 FPGA控制部分5 (1)通道選擇模塊 6 (2)延時(shí)模塊的設(shè)計(jì) 6 (3)串并輸出選擇控制 7 5.4 FPGA的硬件設(shè)計(jì) 8 6 軟件介紹 8 7 整機(jī)調(diào)試8 7.1 硬件電路的調(diào)試步驟8 (1)音頻放大部分調(diào)試 8 (2)濾波部分調(diào)試 8 (3)FPGA硬件電路調(diào)試 9 (4)AD采樣模塊調(diào)試 9 (5)

5、 聯(lián)機(jī)調(diào)試9 8 結(jié)論9 參考文獻(xiàn)10 附錄11 引言 FPGA（Field-Programmable Gate Array 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）是近年來(lái)廣泛應(yīng)用的超大規(guī)模、超高速的可編程邏輯器件，由于其具有高集成度（單片集成的系統(tǒng)門數(shù)達(dá)上千萬(wàn)門）、高速（200MHz以上）、在線系統(tǒng)可編程等優(yōu)點(diǎn)，為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了突破性變革，大大推動(dòng)了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單片化、自動(dòng)化，提高了單片數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期、設(shè)計(jì)靈活性和可靠性。在超高速信號(hào)處理和實(shí)時(shí)測(cè)控方面有非常廣泛

6、的應(yīng)用。 硬件描述語(yǔ)言HDL是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語(yǔ)言。VHDL是硬件描述語(yǔ)言的幾種代表性語(yǔ)言的一種。VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 即超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言）主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，與其它的硬件描述語(yǔ)言相比，VHDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決定了它成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語(yǔ)言。用VHDL設(shè)計(jì)的程序，通過(guò)綜合工具產(chǎn)生網(wǎng)表文件，下載到目標(biāo)器件，從而生成硬件電路。VHDL還是一種仿真語(yǔ)言，包括行為仿真、功能仿真和時(shí)序仿真，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)各個(gè)階

7、段的可行性做出了決策。 1 題目來(lái)源 課程設(shè)計(jì)庫(kù) 2 研究意義 數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)研究中的重要地位日益突出，并且實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集的要求也不斷提高，在信號(hào)測(cè)量、圖像處理，音頻信號(hào)處理等一些高速、高精度的測(cè)量中，都需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集。本次設(shè)計(jì)就是用FPGA實(shí)現(xiàn)采樣系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。 3 多通道采樣系統(tǒng)的組成 本系統(tǒng)硬件電路包括FPGA設(shè)計(jì)的多通道采樣控制器和相應(yīng)的通道選擇電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，由于采樣音頻信號(hào)，所以需要設(shè)計(jì)音頻的放大和濾波電路。系統(tǒng)組成部分如圖2.1所示： 通道選擇部分 音頻放大、濾波部分 信號(hào)1

8、 模擬信號(hào)輸入 信號(hào)2 AD轉(zhuǎn)換部分 控制 FPGA控制的通道選擇和AD控制部分 信號(hào)7 控制采樣

9、 信號(hào)8 數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ) 輸出 圖2.1 多通道系統(tǒng)的組成 4 方案設(shè)計(jì) 用FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)3位8進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，記數(shù)脈沖是FPGA鎖存AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的鎖存信號(hào)，計(jì)數(shù)器的輸出作為數(shù)據(jù)開關(guān)CD4051的地址。用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7892的控制，這樣電路實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，而且AD7892的采樣速率可以達(dá)到500KHz，可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)通道同時(shí)8路音頻信號(hào)采集。同時(shí)采用FIFO模塊，讓數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)先存到隊(duì)列中，一邊往隊(duì)列中寫數(shù)據(jù)，一邊從隊(duì)列中讀數(shù)據(jù)，這樣就對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)起了一個(gè)高速緩存的作用，更加快了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。 5 單元電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)

10、可以分為4個(gè)大部分，分別是音頻放大、濾波部分，F(xiàn)PGA控制部分，AD采樣電路，F(xiàn)PGA硬件電路的設(shè)計(jì)。其中以FPGA控制部分為主體部分，它涉及到AD采樣控制，通道選擇控制，串并輸出模式選擇模塊，延時(shí)模塊以及FIFO模塊介紹。這些模塊的實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。下面分別對(duì)系統(tǒng)的這些單元電路做詳細(xì)的闡述。 5.1 音頻放大、濾波部分 （1）音頻放大部分 音源采用普通CD輸出的音頻信號(hào)，它產(chǎn)生輸出的信號(hào)的幅度約有300mV左右，根據(jù)設(shè)計(jì)AD7892的輸入電壓是10V，選擇放大器的放大倍數(shù)在10-30之間，通過(guò)一個(gè)精密可調(diào)電阻來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。音頻放大芯片NE5532特性是雙運(yùn)放、寬頻帶、低噪聲、轉(zhuǎn)換

11、速率大、電源范圍廣。 （2）有源濾波器的設(shè)計(jì) 在一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)中，輸入信號(hào)往往因受干擾等原因而含有一些不必要的成份，應(yīng)設(shè)法將干擾衰減到足夠小的程度。在其他一些情況，我們需要的信號(hào)和干擾信號(hào)混在一起，如果這兩個(gè)信號(hào)在頻率成分上有較大的差別，就可以用濾波的方法將所需要的信號(hào)濾出。為了解決上述問(wèn)題，可采用濾波電路。濾波器包括電抗性元件L、C構(gòu)成的無(wú)源濾波器、由集成運(yùn)算放大器組成的有源濾波器、以及晶體濾波器等。本次設(shè)計(jì)需要的通帶頻率范圍是20Hz-20KHz，如果用有源帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，考慮到該帶通濾波器的上下截止頻率之比20000/20=1000,大于一個(gè)倍頻程，為一個(gè)寬帶濾波器，所以采用一

12、個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)帶通濾波。 有源帶通濾波電路分成兩個(gè)部分，高通部分和低通部分，圖4.2是20HZ的高通濾波器，圖5.3是20KHZ的低通濾波器。 圖5.2 低通濾波器電路圖 圖5.3 高通濾波器電路圖 音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)音頻放大電路放大后就進(jìn)入了上圖的電路。經(jīng)過(guò)20HZ-20KHZ的帶通濾波電路進(jìn)行濾波。 5.2 AD采樣電路 由于人的耳朵能識(shí)別的音頻的頻率范圍是20Hz-20KHz,根據(jù)奈魁斯特（NYQUIST）采樣定理知道，要使采樣后的數(shù)字信號(hào)能恢復(fù)成模擬信號(hào)，采樣的頻率必須是模擬信號(hào)的頻率的兩倍，即本次采樣系統(tǒng)的采樣頻率最低要設(shè)計(jì)在40KHz,而一般C

13、D格式的音頻信號(hào)的采樣頻率是44.1KHz，由于是8路通道的采樣，所以AD芯片的最低采樣頻率應(yīng)該是44.1KHz8=352.8KHz,所以選擇采樣頻率為500KHz的AD7892。這樣我們每個(gè)通道的采樣頻率就是500KHz/8=62.5KHz。 5.3 FPGA控制部分 （1）通道選擇模塊 通道選擇部分是一個(gè)二進(jìn)制模8的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘是AD數(shù)字信號(hào)的鎖存信號(hào)，每次鎖存數(shù)據(jù)后，計(jì)數(shù)器就會(huì)一次進(jìn)行加一操作，CD4051選擇下一個(gè)通道的音頻信號(hào)進(jìn)行采集。在MAX+PlusⅡ中用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)圖形如下圖5.8所示： 圖5.8 通道選擇部分 通過(guò)CNT[0]到CNT[2]來(lái)選擇相應(yīng)

14、的通道，CD4051的輸出就是最后要進(jìn)行AD采樣的音頻信號(hào)。例如：若CNT[0]CNT[1]CNT[2]=“000”，則選擇第一通道音頻信號(hào)進(jìn)行AD采樣。這個(gè)部分實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是對(duì)數(shù)字鎖存信號(hào)記數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出作為CD4051的通道選擇地址。 通道選擇部分的主體程序如下： 二進(jìn)制模8計(jì)數(shù)器 signal q:std_logic_vector(2 downto 0); begin counter:process(clk) begin if(clkevent and clk=1) then if q="111" then

15、 q<="000"; else q<=q+1; end if; end if; cnt<=q; end process; 通道選擇模塊的仿真圖如圖5.9所示： 圖5.9 通道模塊仿真圖 （2）延時(shí)模塊的設(shè)計(jì) 在采樣控制部分的狀態(tài)機(jī)中也加入了輸出數(shù)據(jù)編碼部分，因?yàn)槭茄h(huán)采集8路的模擬信號(hào)，而輸出為一路輸出，這樣就需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行標(biāo)志，方法就是把12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位數(shù)據(jù)，第一位是0，第二位到第四位是標(biāo)志位，標(biāo)志是哪一通道數(shù)字信號(hào)，如果是串行輸出的時(shí)候可以讓接受方知道是第幾通道的數(shù)據(jù)。又因?yàn)閿?shù)字信

16、號(hào)數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)是比通道選擇信號(hào)早一個(gè)周期，所以要加一個(gè)延時(shí)模塊，這樣就可以實(shí)現(xiàn)每次鎖存了通道的標(biāo)志位和采樣的數(shù)據(jù)。通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)通道選擇信號(hào)的延時(shí)。如果當(dāng)前選擇第3個(gè)通道采樣，那么通道選擇信號(hào)就是“011”，在這個(gè)通道信號(hào)采集完畢后鎖存信號(hào)就會(huì)使計(jì)數(shù)器進(jìn)行加1操作，這樣通道選擇信號(hào)就是“100”，而這個(gè)時(shí)候鎖存的數(shù)據(jù)需要“011”，所以將標(biāo)志位信號(hào)通過(guò)“100”的延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期變成“011”即可。VHDL完成可以勝任。 延時(shí)模塊程序主體部分 process(in1,in2,in3) begin comin<=in3&in2&in1; case comin is

17、 when "000"=> comout<="111"; when "001"=> comout<="000"; when "010"=> comout<="001"; when "011"=> comout<="010"; when "100"=> comout<="011"; when "101"=> comout<="100"; when "110"=> comout<="101"; when "111"=> comout<="110

18、"; when others=>comout<="ZZZ"; end case; out1<=comout(0);out2<=comout(1);out3<=comout(2); end process; （3）串并輸出選擇控制 從AD控制模塊輸出的數(shù)據(jù)是并行16位數(shù)據(jù)。串行輸出的原理是：通過(guò)一個(gè)16選1的數(shù)據(jù)選擇器連續(xù)選擇輸出的并行16位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選擇器的選擇信號(hào)是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘記數(shù)的二進(jìn)制模16的計(jì)數(shù)器輸出，這樣就可以實(shí)現(xiàn)將并行16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。通過(guò)外部輸入信號(hào)P/S可以實(shí)現(xiàn)是串行輸出還是并行輸出，如果P/S是低電平，就選通16選

19、1的選擇器，禁止16個(gè)與門的輸出，此時(shí)為串行輸出；如果P/S為高電平，則禁止16選1的選擇器，同時(shí)打開16個(gè)與門，此時(shí)為并行16位輸出。輸出模式可選擇性使得系統(tǒng)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，串行輸出可以用于通信信號(hào)的采集，方便調(diào)制后發(fā)射到遠(yuǎn)程接受端，遠(yuǎn)程接收端對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)；而并行輸出模式則可以通過(guò)高速存儲(chǔ)器將采集的信號(hào)放到微機(jī)或者其他的處理器上，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。 5.4 FPGA的硬件設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)選用的FPGA芯片是ALTERA公司的ACEX1K系列的EP1K30TC144-3。由于它的高密度和易于在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜宏函數(shù)和存儲(chǔ)器，因此可以把一個(gè)子系統(tǒng)集成在單一芯片上，EP1K30

20、包括一個(gè)嵌入式陣列，這為設(shè)計(jì)人員提供了有效的嵌入式門陣列和靈活的可編程邏輯。嵌入式陣列是由一系列嵌入式陣列塊（EAB）組成的，它能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種存儲(chǔ)器和復(fù)雜邏輯功能；該器件也提供多電壓I/O接口操作。它允許器件橋架在不同電壓工作的系統(tǒng)中。比如本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)器件的I/O輸出就是2.5V，這樣不但使FPGA芯片工作安全，也可以讓AD7892能工作安全狀態(tài)。 6 軟件介紹 在實(shí)驗(yàn)中主要使用了MAX+PlusⅡ、EWB、以及Protel99se三種軟件，其中，Max PlusⅡ主要完成對(duì)FPGA芯片的編程，仿真，芯片引腳鎖定以及編程在線配置等操作，EWB主要用于對(duì)放大、濾波電路作分析與設(shè)計(jì)，并以分

21、析為主，尤其是EWB能提供一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)室，可以對(duì)電路和系統(tǒng)進(jìn)行十分逼真的模擬；Protel99se則是整個(gè)電路設(shè)計(jì)PCB的重要工具?，F(xiàn)分別對(duì)這三種軟件進(jìn)行介紹,其中重點(diǎn)介紹使用MAX+PlusⅡ的常用基本設(shè)計(jì)方法。 7 整機(jī)調(diào)試 7.1硬件電路的調(diào)試步驟 在硬件電路中用到了音頻放大、濾波電路，電源穩(wěn)壓電路，AD采樣電路，F(xiàn)PGA控制等主要部分，由于電路連線較多而且復(fù)雜，采用的方法是分塊調(diào)試，這樣比較容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。這種硬件調(diào)試方法在實(shí)際應(yīng)用是比較普遍的。 在進(jìn)行硬件調(diào)試之前，首先要檢查電路板，看看電路板上的線路是否有短路、虛焊或者是斷路的情況，如果有則要修正它，如果沒(méi)有就可

22、以進(jìn)行各個(gè)模塊的調(diào)試。 （1）音頻放大部分調(diào)試 對(duì)音頻放大部分調(diào)試需要一個(gè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生源，一個(gè)示波器，一個(gè)萬(wàn)用表和提供放大器電源的直流穩(wěn)壓電源。首先，給NE5532加上＋12V的電源，使之工作起來(lái)，用萬(wàn)用表檢查NE5532除了正負(fù)電源引腳的電壓，電壓接近為零，這表明放大器正常工作，在輸入端輸入頻率為1KHz，幅度為300mV的正弦波，用示波器觀察輸出端的波形，可以看到輸出幅度為5.3V的正弦波，正弦波中包含了很多高頻干擾，這是由于周圍的干擾在放大器的放大作用，使得干擾成為一個(gè)明顯波形出現(xiàn)在示波器上，通過(guò)濾波器后可以濾掉這些干擾。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，可以觀察到輸出波形的幅度變化。接上音源，可以看到

23、示波器有不規(guī)則波形輸出，增大音源的音量可以看到輸出波形的幅度也隨之增大，只是這不規(guī)則波形中混有很多的干擾，通過(guò)濾波器后可以濾掉這些干擾。這表明音頻放大部分工作正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 （2）濾波部分調(diào)試 對(duì)濾波部分調(diào)試需要一個(gè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生源，一個(gè)示波器，一個(gè)萬(wàn)用表和提供放大器電源的直流穩(wěn)壓電源。首先，給LM324加上＋12V的電源，使之工作起來(lái)，用萬(wàn)用表檢查L(zhǎng)M324除了正負(fù)電源引腳的電壓，電壓接近為零，這表明濾波器的放大器正常工作。輸入1KHZ，300mv的正弦波信號(hào)，經(jīng)過(guò)音頻放大電路放大后得到的1KHZ，5.3V的正弦波信號(hào)從輸入點(diǎn)進(jìn)入濾波電路。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)示波器中的波形一直有一定高頻和

24、低頻的干擾，檢查電路沒(méi)有錯(cuò)誤，最后判斷是電源的干擾，在電源輸入端加上一個(gè)大電容和一個(gè)小電容分別濾掉電源的高頻干擾和低頻干擾，再調(diào)試可以看到完整的正弦波波形。減少輸入信號(hào)的頻率到10HZ，可以看到當(dāng)頻率減到20HZ的時(shí)候，輸出信號(hào)的幅度逐漸變小，這表明高通濾波部分已實(shí)現(xiàn)其功能，濾掉小于20HZ的低頻干擾；然后慢慢增加輸入信號(hào)的頻率到30KZ左右，可以看當(dāng)頻率大于18KHZ的時(shí)候，輸出信號(hào)的幅度開始減小，達(dá)到20KHZ，輸出信號(hào)幅度衰減到通帶內(nèi)的幅度的75%，大于20KZ后，輸出幅度小于通帶內(nèi)幅度一半，達(dá)到衰減的目的，這表明低通濾波器也實(shí)現(xiàn)了其功能。整個(gè)濾波器部分調(diào)試完畢，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 （

25、3）FPGA硬件電路調(diào)試 這部分調(diào)試是整個(gè)調(diào)試的主體，包括對(duì)有源晶振的調(diào)試，配置電路的調(diào)試。 （4）AD采樣模塊調(diào)試 將實(shí)現(xiàn)AD采樣的狀態(tài)機(jī)程序單獨(dú)寫成一個(gè)文件，選擇器件和鎖定引腳后，配置到FPGA芯片中，模擬信號(hào)采用+5V電源，在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)AD采樣在工作若干次后，就會(huì)出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象，分析知道，在采樣過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)控制AD開始采樣的CONV信號(hào)丟失現(xiàn)象，導(dǎo)致AD無(wú)限期等待采樣開始信號(hào)CONV，而狀態(tài)機(jī)又無(wú)限期等待采樣結(jié)束信號(hào)EOC，這樣就使得狀態(tài)機(jī)進(jìn)入“死機(jī)”狀態(tài)。解決的方法是加入一段“看門狗”程序，當(dāng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)后，用一個(gè)變量判斷狀態(tài)機(jī)是否等待超過(guò)一個(gè)采樣周期，如果超過(guò)，就

26、復(fù)位狀態(tài)機(jī)，使?fàn)顟B(tài)機(jī)重新進(jìn)入開始狀態(tài)。這樣就可以解決狀態(tài)機(jī)的“死機(jī)”現(xiàn)象了。加入“看門狗”程序后，通過(guò)示波器可以看到12位數(shù)據(jù)的任何一位的電平信號(hào)。這樣AD采樣部分就調(diào)試完畢。 （5）聯(lián)機(jī)調(diào)試 聯(lián)機(jī)調(diào)試需要實(shí)驗(yàn)工具有：示波器，穩(wěn)壓電源，EDA實(shí)驗(yàn)臺(tái)，PC機(jī)，ByteBlaster(MV)下載電纜。按照?qǐng)D2.1中各模塊連接順序連接好整個(gè)采樣系統(tǒng)，分別接上12V的放大器工作電壓，＋5V的AD采樣電壓和＋2.5V的FPGA芯片工作電壓，把串并選擇端口選擇串行輸出，也即將短路帽短路，這樣輸入到器件是低電平。將示波器連接到串行輸出口，用EDA實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的下載電路連接PC機(jī)上的打印并行口和硬件電路板上的

27、下載口，可以看到示波器有高低的電平輸出。將串并選擇端口選為并行輸出，也即將短路帽斷開，這樣輸入到器件是高電平，任意選擇一位連接到示波器，也可以看到有高低電平輸出。通過(guò)調(diào)試可以證實(shí)整個(gè)高速多通道采樣系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)，聯(lián)機(jī)調(diào)試完畢。 8 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)采用FPGA實(shí)現(xiàn)采樣系統(tǒng)，從而系統(tǒng)具有高速、穩(wěn)定、低功耗等特點(diǎn)，音頻模擬信號(hào)經(jīng)放大器NE5532放大后，經(jīng)過(guò)8路選擇后，進(jìn)入濾波器進(jìn)行濾波，濾掉高頻干擾信號(hào)和低頻干擾信號(hào)的干擾，然后進(jìn)入AD7892進(jìn)行AD采樣，采樣后的12位數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)FIFO隊(duì)列存儲(chǔ)，最后從FIFO中讀出數(shù)字信號(hào)，在串并輸出模式的選擇下在示波器上顯示出來(lái)。 本系統(tǒng)基本

28、達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)，但還有一些不足之處，例如：在對(duì)FIFO隊(duì)列的讀寫操作中是通過(guò)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但這樣FIFO隊(duì)列就只起了一個(gè)緩存的作用。由于本人水平有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)其存儲(chǔ)后再進(jìn)行讀寫的操作，懇請(qǐng)各位老師多多批評(píng)指教。 多通道采樣系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，特別是在控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，比如說(shuō)溫度，濕度等，通過(guò)傳感器把模擬信號(hào)采集到微機(jī)或者控制部分，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時(shí)基于FPGA的多通道采樣系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為一些特殊領(lǐng)域的實(shí)時(shí)測(cè)控提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、靈活、可靠的方案. 參考文獻(xiàn) [1] 張亦華.數(shù)字電路EDA入門—VHDL程序?qū)嵗痆M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003.

29、3 [2] 李洋.EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.7 [3] 肖蕙蕙.傅曉林.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2002.10 [4] 張凱.VHDL實(shí)例剖析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.1 [5] 姜立東.VHDL語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用（第2版）[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.6 附 錄 1 各模塊程序 （1）通道選擇模塊 library ieee; use ieee

30、.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity count is port(clk:in std_logic; --cnt:out integer range 0 to 7; cnt : out std_logic_vector(2 downto 0)); --oc : out std_logic); end count; architecture archcount of count is signal q:std_logic_vector(2 down

31、to 0); begin counter:process(clk) begin if(clkevent and clk=1) then if q="111" then q<="000";--oc<=1; else q<=q+1;--oc<=0; end if; end if; cnt<=q; end process; end archcount; （2）延時(shí)模塊 library ieee; use ieee.std_logi

32、c_1164.all; entity delay is port(in1,in2,in3:in std_logic; out1,out2,out3:out std_logic); end delay; architecture behav of delay is signal comin:std_logic_vector(2 downto 0); signal comout:std_logic_vector(2 downto 0); begin process(in1,in2,in3) begin comin<=in3&in2&in1; case comin

33、is when "000"=> comout<="111"; when "001"=> comout<="000"; when "010"=> comout<="001"; when "011"=> comout<="010"; when "100"=> comout<="011"; when "101"=> comout<="100"; when "110"=> comout<="101"; when "111"=>

34、comout<="110"; when others=>comout<="ZZZ"; end case; out1<=comout(0);out2<=comout(1);out3<=comout(2); end process; end behav; （3）AD采樣控制模塊 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity adcontrol is port(D : in std_logic_vector(11 downto 0); clk,eoc : in std_logic;

35、 b0,b1,b2:in std_logic; wr_en,rd_en : out std_logic; lock0,conv,rd,cs: out std_logic; Q : out std_logic_vector(15 downto 0)); end entity; architecture behav of adcontrol is type states is(st1,st2,st3,st4,st5,st6,st7,st8); signal current_state,nex

36、t_state:states:=st1; signal regl1 : std_logic_vector(11 downto 0); signal regl : std_logic_vector(15 downto 0); signal lock : std_logic; begin lock0 <= lock; com1:process(current_state,eoc) begin case current_state is when st1 => next_state <= st2; when st2 => next_stat

37、e <= st3; when st3 => next_state <= st4; when st4 => if (eoc=1) then next_state <= st4; else next_state <= st5; end if; when st5 => if (eoc=0) then next_state <= st5; else next_state <=st6;

38、 end if; when st6 => next_state <= st7; when st7 => next_state <= st8; when st8 => next_state <= st1; when others => next_state<=st1; end case; end process com1; com2:process(current_state) begin case current_sta

39、te is when st1 => conv<=1；cs<=1；rd<=1；lock<=0；wr_en<=0；rd_en<=0； when st2 => conv<=0；cs<=1；rd<=1；lock<=0；wr_en<=0；rd_en<=0； when st3 => conv<=1；cs<=1；rd<=1；lock<=0；wr_en<=0；rd_en<=0； when st4 => conv<=1；cs<=1；rd<=1；lock<=0；wr_en<=0；rd_en<=0；

40、 when st5 => conv<=1；cs<=1；rd<=1；lock<=0； wr_en<=0；rd_en<=0； when st6 => conv<=1；cs<=0；rd<=0；lock<=1； wr_en<=1；rd_en<=0； when st7 => conv<=1；cs<=1；rd<=1；lock<=0； wr_en<=0；rd_en<=1； when st8 => conv<=1；cs<=1；rd<=1；lock<=0；wr_en<=0；rd_en<=0； when others => co

41、nv<=1；cs<=1；rd<=1；lock<=0；wr_en<=0；rd_en<=0; end case; end process com2; com3:process(clk) variable dog_count:integer range 0 to 64; variable com3_num_count:integer range 0 to 16553500; begin if(clkevent and clk=1) then current_state<=next_state; --看門狗 if

42、(current_state=st4) then m_watchdog <= s0; end if; if(current_state=st6) then m_watchdog <= s1; dog_count:=0; end if; if(m_watchdog=s0) then dog_count:=dog_count+1; if(dog_count>40) then current_state<=st1; dog_count:=0; end if;

43、 end if; --看門狗 end if; end process com3; latch1:process(lock) begin if lock=1 and lockevent then regl1<=D; end if; end process latch1; regl<=0&b2&b1&b0®l1; Q<=regl1; end behav; （4）串并轉(zhuǎn)換模塊部分程序 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all;

44、 use ieee.std_logic_unsigned.all; entity counter4 is port(clk:in std_logic; cnt4 : out std_logic_vector(3 downto 0) ); end counter4; architecture archcount of counter4 is signal q:std_logic_vector(3 downto 0); begin counter:process(clk) begin if(clkevent and clk=1) then if q="1111" then q<="0000"; else q<=q+1; end if; end if; cnt4<=q; end process; end archcount; 1 FPGA頂層設(shè)計(jì)圖 3 電路設(shè)計(jì)圖 （1）音頻放大 （2）濾波器 （3）AD7892電路