超聲波隨鉆井徑檢測儀的數(shù)據(jù)采集與傳輸

作者：時間：2013-04-25 來源：網(wǎng)絡(luò)

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2．1 AD控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
AD控制模塊要實現(xiàn)的功能是提供AD轉(zhuǎn)換的片選信號和AD轉(zhuǎn)換時鐘，以及FIFO的寫時鐘、FIFO要存儲的16位并行數(shù)據(jù)，接收AD轉(zhuǎn)換的串行數(shù)據(jù)并實現(xiàn)串轉(zhuǎn)并，同時提供換能器的激勵信號。本設(shè)計中，AD轉(zhuǎn)換芯片采用的是ADI公司的12位AD7352，該芯片具有耐高溫、功耗低等優(yōu)點。片選信號CS的周期決定了AD采樣的速率，F(xiàn)PGA為AD提供的轉(zhuǎn)換時鐘SCLK的頻率大小決定了AD的轉(zhuǎn)換時間，正常工作時，完成一個數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換至少需要14個時鐘下降沿。在本設(shè)計中，綜合考慮各方面的因素，AD采樣頻率設(shè)計為2．5 MHz，完成一個模擬量的轉(zhuǎn)換采用18個轉(zhuǎn)換時鐘，這樣，AD的轉(zhuǎn)換時鐘SCLK的頻率為45 MHz，該時鐘由FPGA中鎖相環(huán)對50 MHz的系統(tǒng)時鐘分頻得到。片選信號CS高低電平的控制采用計數(shù)器對與轉(zhuǎn)換時鐘相同的時鐘計數(shù)來實現(xiàn)，每當(dāng)該時鐘的上升沿到來時，計數(shù)器加1，計數(shù)器加到17后，又從零開始循環(huán)計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器的值小于14時，將片選信號CS置低，否則置高。片選信號與轉(zhuǎn)換時鐘的時序如圖3所示。

本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/192799.htm

在本部分設(shè)計中，考慮到實際應(yīng)用中需要對四個換能器接收的數(shù)據(jù)進行采集，為了區(qū)別各個換能器的數(shù)據(jù)，設(shè)計時在串轉(zhuǎn)并的過程中人為添加了四位數(shù)據(jù)作為標(biāo)志位。為了使AD的采樣率、FPGA中串轉(zhuǎn)并的速率以及FIFO的寫速率保持一致，F(xiàn)IFO的寫時鐘采用一個計數(shù)器對AD的轉(zhuǎn)換時鐘計數(shù)獲得。每當(dāng)轉(zhuǎn)換時鐘SCLK的下降沿到來時計數(shù)器加1，計數(shù)器從零到13循環(huán)計數(shù)，計數(shù)器每循環(huán)一個周期就提供一個寫時鐘上升沿(寫時鐘上升沿有效)，使FIFO完成一次寫操作。在AD正常工作時，第一個時鐘下降沿會輸出兩個前導(dǎo)零，然后從第二個時鐘下降沿開始依次從高位到低位輸出12位有效的數(shù)據(jù)，并在第13個下降沿完成最后一位數(shù)據(jù)的輸出，最后在之后的上升沿返回跟蹤模式。因此，在串轉(zhuǎn)并時，要從第二個時鐘下降沿開始。
2．2 FIFO的設(shè)計與實現(xiàn)
FIFO的主要功能是實現(xiàn)不同時鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸。FIFO分為同步FIFO和異步FIFO，本設(shè)計中采用的是異步FIFO，涉及到的主要參數(shù)包括FIFO的深度，F(xiàn)IFO的讀、寫時鐘，F(xiàn)IFO存儲的數(shù)據(jù)的寬度和讀、寫指針等?？紤]到AD采樣速率為2．5 MHz，每次開始轉(zhuǎn)換后持續(xù)的時間大約為600 μs，因此，F(xiàn)IFO需要緩存的數(shù)據(jù)大約為1 500個，Actel公司的APA075中有12個256X9的RAM空間，最多能緩存1 536個16位的數(shù)據(jù)。
為了保險起見，F(xiàn)IFO的深度設(shè)計成1 536，根據(jù)實際應(yīng)用的需求，F(xiàn)IFO的寬度設(shè)計成16位，寫時鐘頻率和AD采樣頻率保持一致，讀時鐘頻率和串口傳輸速率保持一致。同時，為了防止數(shù)據(jù)溢出或讀取無效的數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO的設(shè)計采用了空滿標(biāo)志位。當(dāng)FIFO寫滿時，滿標(biāo)志位置1，禁止繼續(xù)向FIFO中寫入數(shù)據(jù)：當(dāng)FIFO為空時，禁止從FIFO中繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)?？諠M標(biāo)志的準(zhǔn)確判斷是FIFO設(shè)計的一大難點，本設(shè)計中采用了列舉的算法實現(xiàn)空滿標(biāo)志的判斷。FIFO寫滿有以下兩種情況：第一，寫指針加1等于讀指針，并且寫使能有效，再繼續(xù)寫操作時，F(xiàn)IFO就為滿，滿標(biāo)志位置1；第二，寫指針加1等于FIFO的深度并且讀指針為零，再繼續(xù)寫操作時，F(xiàn)IFO就為滿，滿標(biāo)志位置1。與滿標(biāo)志情況類似，F(xiàn)IFO讀空也有以下兩種情況：第一，讀指針加1等于寫指針，再繼續(xù)讀操作時，F(xiàn)IFO就為空，空標(biāo)志位置1；第二，讀指針加1等于FIFO的深度并且寫指針為零，再繼續(xù)讀操作時，F(xiàn)IFO就為空，這時，空標(biāo)志位置1。
2. 3 串口發(fā)送的設(shè)計與實現(xiàn)
串口發(fā)送模塊負責(zé)把處理后的數(shù)據(jù)從FIFO中讀出，將其按通信協(xié)議傳送給MAX232完成電平轉(zhuǎn)換后送給PC機。發(fā)送數(shù)據(jù)采用的波特率是9 600，數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

本設(shè)計的數(shù)據(jù)幀格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，沒有奇偶校驗位，本設(shè)計采用連續(xù)兩次發(fā)送來解決發(fā)送16位數(shù)據(jù)的問題。為了保持讀FIFO的速率與發(fā)送數(shù)據(jù)的速率一致，F(xiàn)IFO的讀時鐘根據(jù)串口發(fā)送一個完整數(shù)據(jù)的速度來確定。

3 測試結(jié)果
在實驗室自制的最小系統(tǒng)板上，模擬換能器給AD提供一個250 kHz的正弦信號，在上位機串口調(diào)試小助手上接收到的數(shù)據(jù)運用Matlab畫出的圖形如圖5所示。圖5中，縱坐標(biāo)是幅值，橫坐標(biāo)是所取點的個數(shù)。

4 結(jié)語
可以看出，本設(shè)計中每個周期的正弦波包含有10個點。由于我們輸入的是250 kHz的正弦波，AD采樣頻率是2．5 MHz，通過理論計算，每個周期應(yīng)該包含的點數(shù)為2．5 MHz／250 kHz=10，可見設(shè)計與實際測試的結(jié)果相符。另外，從測試結(jié)果圖中還可以看出，其幅值與所給的幅值也相符，測試結(jié)果也表明了該設(shè)計的合理性。