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1、用 VHDL 语言设计数据采集系统摘要随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，将模拟信号转 换成数字信号以及将数字信号转换成模拟信号就成了重要环节。本系统以多路数据的采集 及监测为例，介绍了可编程逻辑器件在模数转换、数模转换及数据监控及处理中的设计方 法。实现数据采集的方法有很多，如单片机、 CPLD、C 语言等，但相比各种方法，运用 VHDL 硬件描述语言开发的数据采集系统具有具有设计方便高效、体积小、功耗低、可靠性 高、易于修改、设计周期短等特点VHDL硬件描述语言采用自顶而下的设计方法可以对模 型进行及时修改，以改进系统或子系统的功能，更正设计错误，从而提高目标系统
2、的工作 速度，减小面积耗用，降低功耗和成本等。本文介绍了基于 Altera 公司的集成开发环境 MaxplusII,使用VHDL设计开发数据采集系统的基本方法关键字 VHDL； ADC0809； DAC0832;EDA;数据采集；DESIGN THE DATAACQUISITION SYSTEM WITH VHDLABSTRACTWith the development of computer technology and popularization, Digital devices are increasingly replacing analog equipment,and conver
3、ted the analog signals into digital signals, as well as digital signal into analog signal will become an important link.for example,this syestem depend on one multi-channel data acquisition and monitoring,introduce a programmable logic device in the analog-digital conversion, digital-analog conversi
4、on and data monitoring with handling methods in the design. There are many ways to collect data, such as SCM, CPLD, C language,and so on. But compared with various methods,using the VHDL hardware description language to design the data acquisition system is the best. Because of its facilitate ,effic
5、ient, small size, low power consumption, high reliability, easy to modify, and shorter design cycle characteristics. VHDL hardware description language using the top-down design method ,that can be the model for timely changes to improve the system or subsystem functions, design error correction, so
6、 as to enhance the work of the target system speed, reducing the area of consumption, and lower the power consumption costs. In this paper,we introduce a integrated development environment which based on Alteras MaxplusII,and the basic method to develop a data acquisition system design by using VHDL
7、 language.KEY WORDS VHDL; EDA; ADC0809；DAC0832;Data Acquisition目录中文摘要 I英文摘要 II前言 11 EDA 技术及开发环境 21.1 EDA 技术 21.2 VHDL 31.3 EDA技术的开发环境一MAXPLUSII 42 数据采集系统的研究分析及设计思路52.1数据采集系统的研究与分析52.2数据采集系统的设计思路63 数据采集系统模块的相关介绍与分析73.1 数据输入模块 73.1.1数据输入单元设计73.1.2 ADC0809 接线图83.1.3模块功能实现83.2 数据处理及监控模块 113.2.1数据处理模块DEA
8、L设计 113.2.2二选一模块CH设计133.2.3数码显示模块DISPA设计133.3 数据输出模块143.3.1 DAC0832 芯片介绍 143.3.2 DACO832 接线图 154 仿真结果155 结论17参考文献18致谢19前言随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控 制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。然而，外部 世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温度、压力、位移、速度等。 要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并进行量化编 码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。
9、它是计算机在监测、管理和控制一个系统 的过程中，取得原始数据的主要手段。数据采集系统是计算机智能仪器与外界物理世界联 系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应 用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发 展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。实现数据采集系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单 片机等方案来实现。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定 程度上增加了功能修改及系统调试的困难。但是EDA利用VHDL语言来设计实现该系统， 将更加直观，少了汇编语言的复杂、烦琐，
10、其自顶而下的设计方法可以对模型进行及时修 改，以改进系统或子系统的功能，更正设计错误，从而提高目标系统的工作速度，减小面 积耗用，降低功耗和成本等。同时，避免了传统的数字电子系统设计中电路设计复杂、调 试十分困难、对错误的查找和修改的不便等问题。基于 CPLDFPGA 设计的数字电子系 统，具有体积小、功耗低、可靠性高、易于修改、设计周期短等特点，用 CPLDFPGA 代替中小规模逻辑器件构成数字系统是发展方向。随着电子技术的发展，在今后的电子产 品的研发中， EDA 技术具有更好的开发手段和性价比，具有广泛的市场应用前景。本次设计系统以多路数据的采集及监测为例 ,介绍了可编程逻辑器件在模数转
11、换 ,数 模转换,数据监控与处理的设计方法。本系统主要是由三大部分组成：数据输入单元、数 据处理及监控单元、数据输出单元。其中包括七个功能模块：模数转换模块ADC0809、数 据处理及监控模块、显示模块、ADC0809控制模块、分频模块、数模转换模块DAC0832。 系统主要实现以下功能：首先对 ADC0809 的八路通道的数值进行循环检测，并显示每路 的当前采样值。当检测到有任何一路的值大于预设值的时候就进行报警，并显示出所超出 规定值的通道数。如无任何通道的输出超出预设值时，就由主控器控制进行通道0到通道 7 的循环检测，当需要对数据进行处理时，通过切换键将控制单元的功能转换到数据处理 功
12、能（暂时只包括将采样信号放大到 2 倍、缩小到 1/2和保持采样信号不变这三种基本功 能）。在数据处理完之后，将数据输出给DAC0832，再将数字信号转换为模拟量输出。1. EDA 技术及开发环境1.1 EDA 技术EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初 从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机 辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件 平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、 分割、综合、优化
13、、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和 编程下载等工作1。20 世纪 70 年代，可编程逻辑技术及其器件问世，计算机作为一种运算工具已在科研 领域得到广泛应用。电子线路的CAD（计算机辅助设计）是EDA发展的初级阶段，是高级 EDA 系统的重要组成部分。它利用计算机的图形编辑、分析和存储等能力，协助工程师设 计电子系统的电路图、印制电路板和集成电路板图。 20 世纪 80 年代，集成电路设计进入 了 CMOS 时代。复杂课编程逻辑器件已进入商业应用，相应的辅助设计软件也已投入使用。 而在80年代末，出现了 FPGA, CAE、CAD技术的应用更为广泛，他们在PCB设计方
14、面 的原理图输入、自动布局布线及PCB分析以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和化简 等方面担任了重要角色。 20 世纪 90 年代，随着硬件描述语言的标准化得到进一步的确立， 电子设计自动化技术的应用和发展，促进了 EDA技术的形成。各EDA公司致力于推出兼 容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的 EDA 工具的研究，有效的将 EDA 技术推 向了成熟。进入21世纪后，EDA技术得到了更大的发展和应用。EDA技术将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代化电子学科，它将CAD （计 算机辅助设计）、CAM （计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE （计算机辅助 工程）集于一
15、体并深入发展o EDA技术就是以计算机为工作平台、以EDA软件工具为开发 环境、以硬件描述语言为设计语言、以ASIC （Application Specific Integrate Circuits）为实 现载体的电子产品自动化设计过程。在 EDA 软件平台上，根据原理图或硬件描述语言 HDL 完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真、目 标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。设计者的工作仅限于利用软件的方式来 完成对系统硬件功能的描述，在 EDA 工具的帮助下，应用相应的 CPLD/FPGA（Complex Programmable Logic Dev
16、ices/Field Programmable Gate Array）器件，就可以得到最后的设计 结果。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。 此外，从应用的广度和深度来说，由于电子信息领域的全面数字化，基于 EDA 的数字系 统的设计技术具有更大的应用市场和更紧迫的需求性。随着电子技术的发展，应用系统向小型化，快速化，大容量，重量轻的方向发展。数 字系统的设计已从芯片组合化设计走向单片系统的设计。电子设计自动化是以计算机科学 和微电子技术发展为先导，汇集了计算机图形学，拓扑逻辑学，微电子工艺与结构学和计 算数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技术，它是在先进的计算机平台上开发出来 的一整套实现电子系统或电子产品自动化设计的技术，是当代电子设计技术的主流。其特 点如下：(1) 采用硬件描述语言
