數(shù)字電壓表的VHDL設(shè)計與實現(xiàn)
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介紹數(shù)字電壓表的組成及工作原理，論述了基于VHDL語言和FPGA芯片的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計思想和實現(xiàn)過程。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電壓表；VHDL語言；FPGA
VHDL Realization of Digital Voltmeter
ZHAO Xiaobo, LIU Zhanwei, LI Sujuan
(Department of Computer, Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang050043, China)
Key words: digital voltmeter; VHDL; FPGA
在硬件電子電路設(shè)計領(lǐng)域中，電子設(shè)計自動化(EDA)工具已成為主要的設(shè)計手段，而VHDL語言則是EDA的關(guān)鍵技術(shù)之一，它采用自頂向下的設(shè)計方法，即從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，自上至下地將設(shè)計任務(wù)分解為不同的功能模塊，最后將各功能模塊連接形成頂層模塊，完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計。本文用FPGA芯片和VHDL語言設(shè)計了一個數(shù)字電壓表，舉例說明了利用VHDL語言實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的過程。
整個數(shù)字電壓表的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
工作時，系統(tǒng)按一定的速率采集輸入的模擬電壓，經(jīng)ADC0804轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量，此8位數(shù)字量經(jīng)FPGA處理得到模擬電壓的數(shù)字碼，再輸入數(shù)碼管獲得被測電壓的數(shù)字顯示。
此電壓表的測量范圍：0～5V，三位數(shù)碼管顯示。
此電壓表的測量范圍：0～5V，三位數(shù)碼管顯示。
數(shù)字電壓表的三大模塊都是用VHDL語言編程實現(xiàn)的。
2.1控制模塊
用狀態(tài)機作法，產(chǎn)生ADC0804的片選信號、讀/寫控制信號，通過狀態(tài)信號INTR判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；轉(zhuǎn)換結(jié)束后將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鎖存并輸出。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。
2.1控制模塊
用狀態(tài)機作法，產(chǎn)生ADC0804的片選信號、讀/寫控制信號，通過狀態(tài)信號INTR判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；轉(zhuǎn)換結(jié)束后將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鎖存并輸出。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。
ADC0804是8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的輸出狀態(tài)共有28=256種，如果輸入信號Vin為0～5V電壓范圍，則每兩個狀態(tài)值為5/(256-1)，約為0.0196V，故測量分辨率為0.02V。常用測量方法是：當(dāng)讀取到DB7～DB0轉(zhuǎn)換值是XXH時，電壓測量值為U≈XXH×0.02V；考慮到直接使用乘法計算對應(yīng)的電壓值將耗用大量的FPGA內(nèi)部組件，本設(shè)計用查表命令來得到正確的電壓值。
在讀取到ADC0804的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，先用查表指令算出高、低4位的兩個電壓值，并分別用12位BCD碼表示；接著設(shè)計12位的BCD碼加法，如果每4位相加結(jié)果超過9需進行加6調(diào)整。這樣得到模擬電壓的BCD碼。
本模塊的功能仿真結(jié)果如圖3所示；當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為00010101，通過查表高4位0001是0.32V，而低4位0101是0.1V，最后的電壓輸出結(jié)果是0.32V+0.1V=0.42V，它的BCD碼表示為000001000010，仿真結(jié)果正確。
2.3掃描、顯示模塊
如圖4所示，CLK是掃描時鐘，其頻率為1kHz，由給定的40MHz時鐘分頻得到；DATAIN是數(shù)據(jù)處理模塊輸出的電壓值的BCD碼；SEL是數(shù)碼管的片選信號；POINT是數(shù)碼管小數(shù)點驅(qū)動；通過掃描分別輸出3位電壓值的BCD碼DATAOUT，并通過DISP將BCD碼譯成相應(yīng)的7段數(shù)碼驅(qū)動值，送數(shù)碼管顯示。
在讀取到ADC0804的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，先用查表指令算出高、低4位的兩個電壓值，并分別用12位BCD碼表示；接著設(shè)計12位的BCD碼加法，如果每4位相加結(jié)果超過9需進行加6調(diào)整。這樣得到模擬電壓的BCD碼。
本模塊的功能仿真結(jié)果如圖3所示；當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為00010101，通過查表高4位0001是0.32V，而低4位0101是0.1V，最后的電壓輸出結(jié)果是0.32V+0.1V=0.42V，它的BCD碼表示為000001000010，仿真結(jié)果正確。
2.3掃描、顯示模塊
如圖4所示，CLK是掃描時鐘，其頻率為1kHz，由給定的40MHz時鐘分頻得到；DATAIN是數(shù)據(jù)處理模塊輸出的電壓值的BCD碼；SEL是數(shù)碼管的片選信號；POINT是數(shù)碼管小數(shù)點驅(qū)動；通過掃描分別輸出3位電壓值的BCD碼DATAOUT，并通過DISP將BCD碼譯成相應(yīng)的7段數(shù)碼驅(qū)動值，送數(shù)碼管顯示。
本文設(shè)計的VHDL語言程序已在MAXPLUSⅡ工具軟件上進行了編譯、仿真和調(diào)試，并通過編程器下載到了EP1K100QC208-3芯片。經(jīng)過實驗驗證，本設(shè)計是正確的，其電壓顯示值誤差沒有超過量化臺階上限(0.02V)。本文給出的設(shè)計思想也適用于其他基于PLD芯片的系統(tǒng)設(shè)計。
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