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本刊前兩期給出了數(shù)字示波器DIY制作方案，第一篇集中介紹了LCD繪圖顯示，第二篇介紹了模擬信號(hào)調(diào)理，完成這些內(nèi)容學(xué)習(xí)之后，讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)致命的問題，那就是高速數(shù)據(jù)采集，前面給出的方案是基于MCU控制的ADC，這種方案致命的缺陷是數(shù)據(jù)采集的速度慢，對(duì)頻率稍高的信號(hào)無法有效采樣，本篇將介紹一種MCU加CPLD控制的DMA高速數(shù)據(jù)采樣方案。
一、傳統(tǒng)低速數(shù)據(jù)采集
傳統(tǒng)MCU控制的ADC數(shù)據(jù)采集原理框圖如圖1所示，MCU運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序控制ADC循環(huán)轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換通常由啟動(dòng)、查詢等待、讀取數(shù)據(jù)、寫入RAM幾個(gè)過程，每一個(gè)過程都需要CPU執(zhí)行若干指令來實(shí)現(xiàn)，這樣的數(shù)據(jù)采集不僅受ADC速度，尤其是受到MCU運(yùn)行速度影響，通常只能做低速數(shù)據(jù)采集。
二、DMA數(shù)據(jù)采集
DMA也就是DirectMemoryAccess簡(jiǎn)稱，是直接內(nèi)存存取的意思，DMA的主要優(yōu)勢(shì)是可在無CPU干涉的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，可以將ADC的速度發(fā)揮到極致�；贛CU加CPLD控制的DMA原理框圖如圖2所示。MCU通過對(duì)CPLD的控制，實(shí)現(xiàn)讓出數(shù)據(jù)總線，由CPLD時(shí)序邏輯電路控制AD循環(huán)轉(zhuǎn)換并將結(jié)果直接存儲(chǔ)到RAM中，這個(gè)循環(huán)過程是純硬件電路實(shí)現(xiàn)的，因此速度快，不受MCU速度影響。MCU查詢到一幀數(shù)據(jù)采集完成后，再奪回?cái)?shù)據(jù)總線，從RAM中讀取數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并顯示波形。
下面我們結(jié)合具體的器件來介紹這種DMA方案，ADC器件選擇TLC5510，RAM選擇UT62256，32KSRAM。
TLC5510是美國德州儀器公司生產(chǎn)的８位半閃速結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用CMOS工藝制造，可提供最小20Msps的采樣率。
TLC5510的工作時(shí)序圖如圖3所示，時(shí)鐘信號(hào)CLK在每一個(gè)下降沿采集模擬輸入信號(hào)。第Ｎ次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過2.5個(gè)時(shí)鐘周期的延遲之后，在時(shí)鐘上升沿將轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，在時(shí)鐘其他時(shí)間段數(shù)據(jù)保持不變�？梢钥吹剑撈骷梢栽�20MHz時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下以20MHz的采樣率采集數(shù)據(jù)，平均獲得一個(gè)數(shù)據(jù)只要0.05μs。
RAM數(shù)據(jù)寫入時(shí)序圖如圖4所示。RAM的寫入條件是具備確定的地址ADDR，CE=0，WE=0，OE=1；數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)將被寫入RAM內(nèi)部相應(yīng)的單元。
綜合TLC5510的工作時(shí)序和RAM的寫入時(shí)序，提出如圖5所示的驅(qū)動(dòng)過程。基于同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)，在時(shí)鐘下降沿①、低電平②、上升沿③、高電平④4個(gè)節(jié)拍中，同步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)寫入RAM。
數(shù)據(jù)寫入RAM后，還要能夠被MCU從RAM中獲取，RAM數(shù)據(jù)讀出時(shí)序如圖6所示。
從圖中看出，當(dāng)CE=0；OE=0時(shí)，RAM將地址選擇的內(nèi)部單元數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線從而可以被MCU讀取。
這里有一個(gè)問題要考慮清楚，為了實(shí)現(xiàn)ADC結(jié)果直接存入RAM，已經(jīng)將5510的數(shù)據(jù)線和RAM的數(shù)據(jù)線直接相連了，現(xiàn)在還要將MCU的數(shù)據(jù)線和RAM的數(shù)據(jù)線相連，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突？其實(shí)只要器件數(shù)據(jù)線具有三態(tài)功能，就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)線分時(shí)復(fù)用，通過控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線上某階段只能有一個(gè)數(shù)據(jù)輸出源，例如當(dāng)ADC直接給RAM存入數(shù)據(jù)時(shí)，MCU要讓出數(shù)據(jù)總線，當(dāng)MCU讀取RAM數(shù)據(jù)時(shí)，ADC要高阻態(tài)隔離數(shù)據(jù)總線。
三、控制電路設(shè)計(jì)
控制電路原理如圖7所示，在MCU的控制下，RAM和ADC的控制信號(hào)通過多路選擇器選擇與MCU總線模式或DMA模式相連，這兩種模式被MCU完全控制，可以自由切換，當(dāng)選擇DMA模式時(shí)，MCU首先要讓出數(shù)據(jù)總線，確保ADC與RAM占用數(shù)據(jù)總線，此時(shí)，RAM的地址由地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，RAM_CE=0（片選有效）；RAM_OE=1（禁止讀）；ADC_OE=0（內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)直接輸出到外部數(shù)據(jù)總線上）；RAM_WE與ADC_CLK、地址計(jì)數(shù)器共用同一時(shí)鐘信號(hào)，按圖5中4節(jié)拍實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到RAM中，DMA過程在MCU清零地址計(jì)數(shù)器后開始，沒一個(gè)時(shí)鐘周期AD輸出一個(gè)數(shù)據(jù)直接存入RAM，同時(shí)地址計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)?shù)刂酚?jì)數(shù)器溢出后被MCU檢測(cè)到則表示一幀數(shù)據(jù)采集完成。
一幀數(shù)據(jù)采集完成后，MCU切換到MCU總線模式讀取RAM的結(jié)果，這時(shí)RAM_CE=0（或接MCU地址引腳）；RAM_OE=RD（MCU讀控制信號(hào)）；ADC_OE=1（禁止ADC數(shù)據(jù)占用數(shù)據(jù)線）；RAM_WE=WR，ADC_CLK=0，這時(shí)MCU可以自由讀取RAM。
圖7所示邏輯電路用硬件描述語言在CPLD上實(shí)現(xiàn)非常方便，請(qǐng)讀者吸收DMA設(shè)計(jì)思路后自己完成電路設(shè)計(jì)。
四、結(jié)束語
筆者完成的DMA高速數(shù)據(jù)采集卡對(duì)2MHz、1MHz的正弦信號(hào)采樣并繪圖效果如圖8（a）、（b）所示。對(duì)于低于1MHz的正弦信號(hào)采集后能夠非常光滑清晰的還原出正弦波形。在CPLD內(nèi)部時(shí)鐘精確分頻后還可以實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)采樣，例如20MHz采樣，10MHz采樣，1MHz采樣。
作者：田開坤 李任青 來源：《電子制作》
