基于fpga的数据采集器(编辑修改稿)

基于fpga的数据采集器(编辑修改稿)内容摘要：

线就处于空闲状态。 接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL 线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。 直到接收器件准备好接收下一个字节时 ，再释放 SCL 线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。 连接到 I2C 总线上的器件，若具有 I2C 总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。 对于不具备 I2C 总线硬件接口的 FPGA 来说，为了检测起始和终止信号，必须保证在每个时钟周期内对数据线 SDA 采样两次 .图 给出了 I2C 规定的起始和终止信号。 14 图 起始和终止信号 I2C 规定每一个字节必须保证是 8 位长度。 数据传送时，先传送最高位（ MSB），每一个被传送的字节后面都必须它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。 这个信号是由 对从机的 “ 非应答 ” 来实现的。 然后，从机释放 SDA线，以允许主机产生终止信号跟随一位应答位（即一帧共有 9 位）。 由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。 I2C 总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。 在起始信号后必须传送一个从机的地址（ 7 位），第 8 位是数据的传送方向位（ R/），用 “0” 表示主机发送数据（ T）， “1” 表示主机接收数据（ R）。 每次数据传送总是由主 机产生的终止信号结束。 但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。 典型的 I2C 通信方式下图所示。 S 从机地址 O A 数 据 A 数 据 A|A P 图 典型的 I2C通信数据帧 “ 0” 表示数据由主机向从机传送， “ 1” 则表示数据由从机向主机传送。 A 表示应答， A 表示非应答（高电平）。 S 表示起始信号， P 表示终止信号。 通过分析可知， 由于 FPGA 不具备 I2C 接口，在设计过程中我们必须保证 FPGA 不断对通信总线进行扫描，而且每个周期内扫描两次。 并且要严格的按照 I2C 协议给出SCL 信号，以保证整个通信过程准确无误。 由于 FPGA 的 IO 口需要进行大量数据处理，因此 FPGA 的速度和硬件接口速度将会产生较大的偏差。 为此， I2C 数据总线上的数据传输要有一个较长的起始过程加以引导。 至此，针对温度采集所面临的问题基本得以解决。 按照分析结果，温度采集模块由两部分组成： AD7416 控制模块和 I2C 通信模块。 根据已有的资料和自己不断总结， 15 最终得到了实现目标要求的代码。 部分代码如下所示： designed by L_YM and H_YS the I2C BLOCK ENTITY simple_i2c IS PORT( clk : in std_logic。 enable : in std_logic。 nReset : in std_logic。 clk_t : in unsigned(7 downto 0)。 4x SCL input signals start,stop,read_1,write_1,ack_in : std_logic。 Din : in std_logic_vector(7 downto 0)。 output signals cmd_ack : out std_logic。 ack_out : out std_logic。 Dout : out std_logic_vector(9 downto 0)。 i2c signals SCL : inout std_logic。 SDA : inout std_logic )。 END ENTITY simple_i2c。 designed by H_YS and L_YM the ad7416 BLOCK entity AD7416_I2C_TEST is port ( clk_sys : in std_logic。 50MHz nReset : in std_logic。 Dout : out std_logic_vector(9 downto 0)。 data read from AD7416 I2C_OTI: in std_logic。 warning : out std_logic。 error : out std_logic。 no correct ack received SCL : inout std_logic。 SDA : inout std_logic 16 )。 end entity AD7416_I2C_TEST。 上面两段代码表示 AD7416模块的接口定义。 ADC0809电压采样模块 由第二节分析我们知道 ADC0809 采样原理比较 简单：首先我们给出一个有效的START 信号（高电平），随后状态信号 EOC 随即变成低电平。 此时进入转换状态，周期约为 100181。 s。 转换结束后， EOC 变为高电平，此时外部可以控制 OE 由低电平变为高电平，进入有效输出阶段。 下图是 ADC0809 的采样状态图。 图 ADC0809 采样状态图 由状态图我们可以发现，运用状态机来控制 ADC0809 模块无疑是最佳选择。 其核心代码如下： designed by L_YM and H_YS BEGIN CASE current_state IS when st0= next_state=st1。 when st1=next_state=st2。 when st2= IF(EOC=39。 139。 )THEN next_state=st3。 ELSE next_state=st2。 END IF。 when st3=next_state=st4。 when st4=next_state=st0。 when OTHERS = next_state=st0。 17 END CASE。 END PROCESS。 由于 ADC0809 采用通用串口通信方式。 此种通信方式比较简单，并且 FPGA 的IO 口也支持此种通信协议。 因此 ADC0809 在与 FPGA 通信时，无需再对 IO 口进行编程，它的数据总线可以直接与 FPGA 的 IO 口连接，进行数据交换。 LCD12232 显示模块 液晶显示屏已广泛应用于人们的日常生活中，在各种领域中起到越来越重要的位置。 为了方便数据监测，并使的设计具有实用性，在本次设计中，加入 LCD12232模块，用来显示系统采集到的数据。 在第 节我们已经对 LCD12232 进行了初步的探讨，线面我们将深入的对 LCD12232 进行分析。 LCD12232 由两片 SED1520 芯片通过主从方式控制。 控制 LCD 的输出，从本质上来讲就是控制 SED1520 芯片。 SED1520 控制指令有 13 条，在本次设计中我们只使用最常用的 8 条指令。 下面给出了本次设计中使用到的 SED1520 芯片的指令集。 指令代码（ 2 进制） 代码功能 格 式 1 1 1 0 0 0 1 0 复位 1 0 1 0 0 1 0 0 中断休眠 1 0 1 0 1 0 0 X 占空比设置 1 0 1 0 0 0 0 1 AC 显示 1 1 0 L4 L3 L2 L1 L0 起始行设置 1 0 1 0 1 1 1 X 显示开关 1 0 1 1 1 1 P1 P0 页地址选择 0 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 列地址选择 表 SED1520 指令集 对于占空比设置，当 X=1 时，为 1/16，当 X=0 时为 1/32。 对于起始行设置，由于液晶屏共有 32 行，其地址从 00H 开始到 1FH 截止。 对于显示开关，当 X=1 时，显示开， X=0 时显示关。 页地址为 B8H 到 BBH，列地址从 00H 到 4FH。 在使用时，只需将填入指定地址即可。 LCD12232 是字符点阵液晶。 列地址指针和页地址寄存器组合唯一指定了显示屏上的一个点。 值得注意的是列地址指针在每次操作后都会自加 1，这使我们的设计难度下降了许多。 字符点阵液晶的显示原理非常简单，即当显示屏上某一点所对应寄存器值为逻辑值“ 1”时，该点就显示。 因此欲实现对 LCD12232 显示的控制，除了要熟悉它的指令集之外，还必须了解它的显示方法与待显示字字符模型。 通过实验我们得到结论：液晶显示屏共有 2 屏（左、右屏）， 4 页。 其显示方法为，先显示高位寄存器，再显 示低位寄存器（针对同一列）。 也就是说，它采用的是自顶 18 向下的显示方法。 因此在生成字模时，我们应将待显示字“取反”后，再生成。 LCD12232同样采用通用串行通信方式。 因此只需将其数据总线与 FPGA 的 IO 相连即可进行数据传递。 SED1520 的读写时序如下图所示： 图 SED1520 的读写时序 通过 FPGA控制 SED1520显示芯片的步骤如下： （ 1）初始化显示屏，设置占空比为 1/32，采用顺时针（ AC）显示模式，打开显示开关，设定初始页地址与列地址。 （ 2）由于 SED1520的显示寄存器在初始化后 均默认存储数值为 “1”，显然这不利与我们进一步的显示操作。 因此我们将 SED1520显示寄存器全部清零，实现清屏的效果。 （ 3）通过使能信号选中左半屏（由主 SED1520控制），将已产生的字模送往显示寄存器。 在这里需要指出的是， LCD12232每半屏只有 61列，因此为了显示的美观，我们需要精确的确定每个字符的大小。 （ 4）选中右半屏，发送数据给显示寄存器 （ 5）设定刷新频率，检测数据更新，操作结束。 其接口部分代码如下： ENTITY LCD12232 IS PORT( CLR,CLK : IN STD_LOGIC。 CLK 50M AD7416 : IN STD_LOGIC_VECTOR(9 DOWNTO 0)。 ADC0809 : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 UART : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 E1, E2 : OUT STD_LOGIC。 RW, A0 : OUT STD_LOGIC。 Reset : OUT STD_LOGIC。 19 DB : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0))。 END ENTITY LCD12232。 从代码我们看出， LCD12232 控制模块的任务是接收 AD741 ADC080串口的数据，控制 LCD 的工作状态，显示待显示的数据。 串口通信模块 异步串行 通信 要求的传输线。