CPLD器件在脉冲计数式数据采集系统中的应用

1、测控技术2005年第24卷第2期·68·文章编号：10008829(2005 02006803CPLD 器件在脉冲计数式数据采集系统中的应用Application of CPLD in Data Acquisition of Accelerometer Testing System（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100083）白焕旭摘要：介绍了CPLD 实现的大规模计数器与单片机构成的脉冲计数式数据采集器，用于加速度计测试系统的数据采集。采用CPLD 实现脉冲计数式数据采集器，增强了系统的集成度和可靠性；用Verilog HDL语言完成CPLD 的编程，使系统

2、实现更加方便、灵活。主要介绍了测试系统的数据采集方案及单片机与CPLD 的接口实现。关键词：加速度计；复杂可编程器件；计数器；接口中图分类号：TP334.4文献标识码：BAbstract ：An accelerometer testing system composed of CPLD mostly，which achieves the large scale counter，is discussed. The application of CPLD improves the inte- gration and the reliability of the system；in addition

3、，the language of Verilog HDL makes the procedure more flexible. The emphasis of the paper is scheme to acquire the data and the way that MCU connects with the CPLD. Key words：accelerometer ；CPLD ；counter ；interface一般的脉冲计数式测试系统，常采用分立的可逆计数器对被测脉冲信号进行数据记录。当测试系统对计数器规模及通道数的要求较高时，一般采用计数器芯片级链的方式实现。这不仅增加了系统的

4、体积和功耗，而且串接切换逻辑以及外围接口逻辑也会使得系统的可靠性降低。本研究提出的基于复杂可编程器件（CPLD ）技术的加速度计脉冲计数测试系统，用Altera 公司的CPLD 实现了大规模定时/计数器。主要利用CPLD 内部逻辑资源丰富，且可以自由编程支配、定义其功能的特点，配以Verilog HDL语言编写的内部执行软件，很好地解收稿日期：20040825作者简介：白焕旭（1976），男，河北昌黎人，在读硕士研究生，主要从事惯性导航技术、计算机测控技术及工业现场总线技术的研究与应用。 决了加速度计测试系统要求计数器规模大、通道数多的问题；同时，CPLD 内部实现了与单片机的数据接口，简化了

5、数据采集系统外围电路，增强了系统的可靠性。1 系统简介在对加速度计进行测试时，每只加速度计输出两路脉冲信号，两路脉冲信号同一时间的计数值之比代表了加速度计的物理特性。系统每隔1 s对脉冲信号进行一次采样，并将计数值上传到PC 机进行处理。为满足测试要求，系统中的计数器位宽大约为24位时，才能完成系统连续计数。系统要求同时有多路计数器对多只加速度计进行测试。若用传统的方式实现多路24位计数器，将使系统规模过于庞大。当前，CPLD 的广泛应用，为本测试系统中的计数器集成化提供了可能。本研究基于Altera 公司CPLD 器件高性能，高集成度的特点，同时考虑到系统扩展的要求，选用EPF10K20实现

6、多路24位计数器，通过与单片机接口构成了脉冲计数加速度计测试系统的数据采集部分。2 系统实现2.1 系统总体方案以CPLD 与单片机构成的脉冲计数式测试系统主要包括以下几部分：8 MHz高精度温补晶振、光电隔离器、CPLD 实现的大规模计数器及与单片机的接口逻辑，以及下位单片机与上位PC 机的通信接口。系统总体框图如图1所示。高精度温补晶振经由CPLD 实现的定时器后，产生周期为1 s的高稳定度脉冲信号，作为测试系统的时钟。由于晶振采用12 V电源供电，而CPLD 的工作电源为5 V，因此，在晶振与CPLD 之间增加了CD4050，用来完成不同逻辑电平的转换。光电耦合器采用高速光耦6N137。

7、加速度计是高精度传感器，很容易受到外界的干扰。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号直接耦合，而是以CPLD 器件在脉冲计数式数据采集系统中的应用 ·69·光为媒介进行间接耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。因此，加入光电隔离器后，可以避免测试设备对被测传感器的电气干扰。 图1 系统总体结构图系统工作过程如下：被测脉冲信号经光电隔离后进入以CPLD 为核心的测试电路，CPLD 实现的计数器实时对输入脉冲进行计数。单片机89C51以高精度温补晶振经过CPLD 实现的定时器分频产生的1 Hz 脉冲信号为中断源，每隔1 s响应一次中断，中断程序读计数值并将数据传送给PC 机

8、。2.2 CPLD实现的大规模定时/计数器 本测试系统对计数器的要求是：具有预置、计数使能以及清零等功能。为了提高测试精度，保证单片机对计数器操作的实时性，本计数器的置位及清零端均采用了异步方式。当单片机对计数器的置位或清零信号到来时，计数器的输出端立即被置位或清零，而与计数器的时钟信号无关。根据以上要求，以CPLD 实现的大规模计数器功能框图如图2所示。其中，计数脉冲由时钟CP 端输入；clr 为异步清零端；clk_en为计数使能端；预置数由data23:0输入；计数值由q23:0输出；cout 完成进位功能，由此引脚可以实现多个计数器的级连。CPLD 实现的定时器用于产生1 s的脉冲信号，

9、其结构与计数器相似。2.3 单片机与CPLD 的接口设计本测试系统主要通过单片机与CPLD 实现的计数器的接口，完成对加速度计的数据采集。整个接口设计的总体框图如图3所示。CPLD 除完成对加速度计输出信号进行计数的功能外，还实现了单片机与计数器之间的读写时序，包括时钟发生器、数据锁存器以及读写时序的操控。系统工作时，当周期为1 s的高精度脉冲信号LE 到来时，其上升沿作为内部锁存器的锁存信号，将此时的24位计数器计数值进行锁存。同时，LE 经反相器反相后产生信号EINT, EINT的下降沿作为对单片机的中断申请信号。单片机AT89C51响应中断申请，判断中断次数，并对相应的计数器进行清零、读

10、数等操作。单片机对CPLD 实现的计数器的控制接口时序可由图4所示。由以上工作时序可以看出，对计数值的锁存信号由LE 的脉冲提供，而与单片机无关。这样，可以避免单片机对计数的影响，从而避免造成计数误差而影响到系统的测试精度。另外，CPLD 内部还实现了一个8位多路选择器，用来配合8位单片机对24位计数值的读出。LE 上升沿到来时，CPLD 内部实现的锁存器REG1、REG2、REG3对24位计数值进行锁存，同时单片机响应EINT 下降沿引起的中断申请，中断服务程序中，由地址线AD12、AD11、AD10给出多路开关的选择信号，以便依次读出3个锁存器的数值，从而完成对24位计数值的读操作。 单片

11、机对计数值进行读操作的时序波形如图5所示。2.4 下位机与上位机的通信q23:0clr图2 计数器功能框图图3 接口逻辑框图测控技术2005年第24卷第2期·70· 在CPLD 与单片机实现的数据采集系统中，单片机作为下位机，主要任务是接收上位机的测试指令，完成测试数据的采集、数据格式的编排以及向上位机发送测试数据。本测试系统下位单片机与上位PC 机采用RS232标准串行总线进行通信。上位机接收下位机对加速度计的测试数据，对数据进行相应的处理和运算，得出加速度计的各项性能参数。下位机的中断服务程序流程如图6所示。 图4 单片机对CPLD 的控制时序图5 单片机对CPLD 的

12、读操作时序 图6 单片机中断处理程序流程图3 结束语本研究利用CPLD 实现了多路大规模计数器，并设计了其与8位机的接口及时序。它与单片机组成加速度计测试系统的数据采集部分，实践证明：以CPLD 为主要器件实现的数据采集部分集成度高、安全可靠，可方便地进行系统扩展；而且，系统完成了8位单片机与24位定时/计数器的读写，实现了不同数据宽度器件间的接口，此接口设计的思想具有一定的通用性。测试系统与上位机的连接简单易行、占用资源少，其设计方案对于脉冲计数式的测试系统有一定的借鉴意义。 参考文献：1 王壬林. 加速度计M. 北京：国防工业出版社，1982. 2 宋万杰，罗丰，吴顺君. CPLD 技术及

13、其应用M. 西安：西安电子科技大学出版社，1999.3 夏宇闻. 从算法设计到硬线逻辑的实现M. 北京：高等教育出版社，2001.4 宋玉贵，陈花玲. 一种多路计时器的CPLD 实现J. 西安工业学院学报，2000，20(3：173-176.5 吴朝晖，郑学仁，胡鹏. 嵌入式微处理器接口总线控制器的CPLD 设计J. 半导体技术，2001，26(4：46-49.（上接第64页）统。通过合理地选择标志点，提高了摄像机校准的精度，减小了仿真模型的建模误差和运动累积误差，减少了停顿机器人运动以进行模型修正的次数，从而提高遥操作的安全性、精度和效率。此外，通过单摄像机定位技术实现了对已知形状物体的精确

14、定位，并将检测到的物体在虚拟环境中进行注册，提高了系统适应环境变化的能力。 参考文献：1 Robert J A，Mark W S. Bilateral control of teleoperator withtime delayJ. IEEE Transactions on Automatic Control，1989，34(5：494-501.2 Grigore C B. Invited reviewthe synergy between virtualreality and roboticsJ. IEEE Transactions on Robotics and Automation ，1

15、999，15(3：400-410.3 Cooke C, Stansfield S. Interactive graphical model buildingusing telepresence and virtual realityJ. Robotics and Auto- mation ，1994，(2：1 436-1 440. 4 Young J L，Jung A Y and Myung J C. Interactive virtual spacecalibration for teleoperationJ. IEEE International Workshop on Robot and Human Communication，1997：472-476. 5 Ulrich N ，Suya Y，and Jinhui H. Augmented virtual environ-ments (A VE ：dynamic fusion of imagery and 3D modelsA. Proceedi