CPLD为控制核心16位高精度数字电压表设计

1 引言

　　CPLD ( Complex Programmable Logic Device ) 是新型的可编程逻辑器件，与传统ASIC相比，具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进等优点，特别适合于产品的样品开发和小批量生产。传统的数字电压表多以单片机为控制核心，芯片集成度不高，系统连线复杂，难以小型化，尤其在产品需求发生变化时，不得不重新布版、调试，增加了投资风险和成本。而采用CPLD进行产品开发，可以灵活地进行模块配置，大大缩短了开发周期，也有利于数字电压表向小型化、集成化的方向发展。

　　2系统原理及组成

　　系统组成原理框图如图1所示。系统的控制核心是一片CPLD芯片，它由三个功能模块构成： A/D转换时序控制模块、码制变换模块以及显示控制/驱动模块。三个模块的功能分别为发出控制信号启动A/D转换及读取采样值、对AD采样值进行码制转换、发出控制信号驱动LED/LCD显示相应数据。

　　系统工作原理：测量信号经过信号预处理，变换为0～2.5V范围内的有效信号后送入A/D转换电路中，然后A/D转换时序控制模块发出控制信号，启动A/D转换器进行转换，A/D采样得到的数字信号在码制变换模块中转换为相应的显示代码，最后经显示控制/驱动模块发出控制与驱动信号，推动外部的显示模块（LED/LCD）显示相应的数据。

　　3CPLD功能模块设计

　　智能数字电压表的控制核心CPLD的三个功能模块皆用VHDL语言编程实现，下面主要介绍CPLD的三个功能模块的设计。

　　3.1 A/D转换时序仿真模块AD_CONTROL

　　ANALOG DEVICES公司生产的AD7715是一片16位的∑-Δ ADC集成电路。它的主要特性有：3V/5V工作电压，单／双极性输入；可编程改变增益为1，2，32，128倍；在单极性输入状态下模拟电压输入范围允许为0～20mV, 0～80mV, 0～1.25V, 0～2.5V不等（有利于提高精度）；三线串行接口；支持差分输入；低功耗（450 mF [email=Max@3V]Max@3V[/email]）。在本系统中AD7715的作用是将0~2.5V的输入模拟信号转换为16位的高精度的数字信号供CPLD处理。AD_CONTROL模块用于控制AD7715的启动、读、写等操作。设计的AD_CONTROL模块如图2所示，其VHDL语言的ENTITY定义部分如下：

　　如图所示，二者的接口信号线直接连接并由AD_CONTROL模块模拟产生AD7715芯片的各个接口信号，完成ADC的启动、读、写操作。AD7715的工作模式由内部寄存器（Communications Register，Setup Register，Test Register，Data Register）中的控制字决定。内部寄存器的数据写入和读出都由CS，DRDY，SCLK信号控制。当 AD7715被访问时，SCLK脚应出现一次带上升沿的高电平，其时钟频率应为9.2kHz。这是关键信号，其他信号均以此信号作为时基。因此，CPLD中的AD_CONTROL模块的功能之一就是提供SCLK 以及其他信号的严格时序。图3、图4分别为AD_CONTROL模块读、写AD7715时序图。