一种基于CPLD的数据采集控制板的设计.docxVIP

摘要：针对多种采集信号类型，设计了一种采用CPLD实现信号采集控制、信 号处理、通讯及输出控制等功能的复合数据采集控制板，并分析了其相关应用性 能。 关键词：CLPD EPP接口编码器 数据采集 在需要采集多路模拟信号、开关信号、频率（计数）信号以及编码器信号 等的数据采集应用中，利用通用板卡构成计算机测控系统是可行的，但对于产品 的批量应用，其成本与综合性能不能令人满意。技术成熟的CPLD芯片的应用， 可以很好地将逻辑控制、数据信号处理等功能集于一身，使以往需要利用多块信 号板卡才能 完成的任务整合于同一采集控制器中，从而有效地提高控制系统的 可靠性，降低测控系统的实现成本。 本文设计一种基于CPLD的数据采集控制板。它能实现信号采集与控制、 信号处理、通讯及输出控制等功能。 1 总体设计方案 本专用数据采集控制板利用CPLD作为主控制器，统一协调通道切换与数 字信号处理、实现数据采集与接口传输逻辑控制。该数据采集控制板共有四种类 型的信号输入和一种开关信号量输出。图1给出其基本硬件模块组成。 利用CPLD的资源和结构特点是本设计的核心。为提高编码器输入信号的 分辨细长，配套设计一个四倍频电路，并在通道后端设计一个脉冲静态计数电路， 使输入信号转换为8bit信号挂接到采集板总线上。八路模拟输入信号主要依 靠CPLD实现通道切换和A/D采集，采样数据也以8bit信号并行进入总线。考 虑到 提高计数精度的要求，对两路频率输入信号设计了一个动态计数电路，使 计数值通过总线读出。I/O切换控制、EPP接口电路等都按一定的逻辑要求采用 同一 CPLD元件来实现。如此可使硬件电路十分简单，并有利于上位机编程实 现。 数据接口 根据IEEE1284标准，在标准并行口（SPP）、增强并行口（EPP）和扩 展并行口（ECP）三种模式中，EPP模式既具有双向数据传输功能，又具有较高 的数据传输能力，且编程操作相对容易，最适合在数据采集系统中使用。 从硬件设计角度考虑，EPP接口的主要功能之一是将采集到的数据上传给微型 计算机或将开关控制命令下载到采集控制板（数据流对应8bit数据端口）；之 二是实现硬件接口之间的信号通讯握手（控制状态对应其它I/O端口）。EPP 协议定义了四种数据传输基本操作：数据读、数据写、地址读、地址写。工作时 首先写入I/O锁存地址即模块操作的I/O地址，然后进行相应的读 出或写入操 作。如果不需I/O地址变化，那么就不再进行I/O地址锁存操作。EPP模式下 一共定义17根信号线，除8根双向地址线和数据复用线外，还有输 出控制信 号线 WRITE、DSTROBE、ASTROBE、INIT，其中 WRITE、DSTROBE 和 ASTROBE 用于表示数据读写操作。WRITE为低时表示正在进行操作，DSTROBE为低表示 进行数据操作，而ASTROBE为低则表示进行地址操作。EPP的INIT信号用来 复位打印机，本设计用 来预置光电编码器的初始计数值。另外还有五根状态信 号线。WAIT信号由外设发出，高电平表示正在进行读写操作，低电平表示操作 完成。但本设计没有利用该 信号，因为前面三个读写信号已完全能满足要求。 MAX197数据转换结束信号EOC连接到并口的SELECT线上，主机查询到 SELECT线为低时，表示一次A/D转换结束，可以读取转换结果。其余三根状 态线空置作为备用。 根据IEEE1284标准对EPP模式的地址、数据读写操作的规定，可采用图 2的逻辑结构分别实现地址写、数据写和数据读。在图2中，输入信号中的STB 表示写信号，ASTB表示地址写信号，DSTB表示数据写信号;输出信号中Add_WR 表示地址写信号、高电平有效，Add_WRN表示地址写信号、低电平有效， Data_WR表示数据写信号、高电平有效、Data_WRN表示数据写信号、低电平 有效；Data_RD表示数据读信号。如此设计的目的是使该 接口能方便地适应各 种逻辑器件的操作要求。图3给出了采用MAXPLUS软件对上述逻辑信号进行仿 真的操作时序波形。 EPP模式可在上位机BIOS中设置或通过写ECR寄存器直接设置（并行适 配器基地址为0X378H，I/O端口地址为77AH）。 编码器信号处理 对于编码器输入信号，针对增量式光电编码器的输出具有A相、B相方波 正交信号，而且二者相序取决于编码器的正反转方向，设计了一种四倍频及判向 电路，如图4所示。 黑t等精爱费I期法原理阉 在图4中，CLK信号来自独立振荡源，其频率高于编码器最大输出频率四 倍以上，但也不宜过高，以免导致CPLD内部结构中信号竞争等问题。INA和 INB分别为编码器输入的A相信号和B相信号，CNT_UP和CNT_DN分别为输 出的正转倍频信号和反转倍频信号。为保证编码器处于任何