基于FPGA的数字电压表设计
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2020-08-08
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基于基于FPGA的数字电压表设计的数字电压表设计
此次设计主要应用的软件是美国ALTERA公司自行设计的Quartus II。本次所设计的电压表的测量范围是0～
5V，精度为0.01V。此电压表的设计特点为：通过软件编程下载到硬件实现,设计周期短,开发效率高。
伴随着集成电路(IC)技术的发展，电子设计自动化(EDA)逐渐成为重要的设计手段，己经广泛应用于模拟与数子电路系统等许
多领域。目前电子技术的发展主要体现在EDA领域,数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。电
子设计自动化是近几年迅速发展起来的将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代电子设计学科。其中EDA设计语言
中的VHDL语言是一种快速的电路设计工具，功能涵盖了电路描述、电路合成、电路仿真等三大电路设计工作。本电压表的电
路设计正是用VHDL语言完成的。此次设计主要应用的软件是美国ALTERA公司自行设计的Quartus II。本次所设计的电压表的
测量范围是0～5V，精度为0.01V。此电压表的设计特点为：通过软件编程下载到硬件实现,设计周期短,开发效率高。
1 系统设计原理
本设计利用ADC0809作为电压采样端口，FPGA作为系统的核心器件，用LED(发光二极管)进行数码显示。
采用Alterla公司FLEX10K系列EPF10K20TC144-4 芯片FPGA作为系统的核心器件，负责ADC0809的A/D转换的启动、地址锁
存、输入通道选择、数据读取。同时，把读取的8位二进制数据转换成便于输出的3位十进制BCD码送给数码管，以显示当前
测量电压值。这些工作由ADC0809转换控制模块、数据转换模块、译码模块完成。
2 FPGA软件设计及模块仿真
2.1 A/D转换控制模块的软件设计
本模块完成ADC0809的初始化、A/D转换的启动、地址锁存、通道选择、状态读取及数据读取、数据锁存等功能。此模块的软
件设计主要采用VHDL的多进程状态机完成[4]。
工作时序如下：上电瞬问，FPGA初始化，ADD置成"01"，状态机处于第1个状态，此时ALE、START、OE、LOCK(数据锁存
信号)均置0，初始化ADC0809。第1个上升沿到来时，状态机由状态1转换到状态2，ALE、START置1，OE、LOCK为0，此
时地址锁存信号有效，由ALE将ADD的"01"状态锁存到地址锁存器并译码，选择IN1即通道1作为模拟信号输入端，同时
STRAT信号有效，启动采样。第2个上升沿到来时，状态机由状态2转换到状态3，ALE、START返回到低电平，OE、LOCK
继续为低电平，此时如果FPGA检测到ADC0809的EOC引脚由低电平变成高电平(A/D转换完成)，则当时钟上升沿到来时，转
换到状态3，否则继续保持在状态2，直到转换完成。由状态2转换到状态3后，OE置高电平，允许转换数据输出，其余信号状
态保持不变。时钟上升沿再次到来时，状态机由状态3转换到状态4，LOCK置高电平，其余信号与状态3一样。当LOCK由低
电平转换到高电平的瞬问，稳定的数据锁存到锁存器。上升沿再次到来，则状态机返回状态0。控制器在时钟信号控制下完成
状态转换，实现对ADC0809的控制[3]。
2．2 数据转换模块的软件设计
本设计采用5 V参考电压，测量范围为0～5 V，由于转换器件为8位，则电压的最小分辨率为0.02V，因此待转换数据。
编一个查表程序，对上述电压进行BCD码编码，然后根据对应的4位BCD码相加的结果决定是否进位，从而得到待处理数据的
BCD码[5]。例如：从AD0809上取得的数据为"11011110"，1101对应的电压值为4.16 V，其对应的BCD编码
为"010000010110"，1110对应的电压值为0.28 V，其对应的BCD编码为"000000101000"。低4位相加为1110，大于9，加6将
其调整为BCD码，其值为0100，并且向前有一进位。4位相加的结果为0011，由于低位有进位，因此最终结果为0100。高4位
的结果为0100。3位合计的值为4.44 V，与4.16+0.28的结果相符。
2.3 译码输出模块的软件设计
本模块的任务是把数据处理模块处理得到的BCD码转换成能被数码管识别的字型编码。8位二进制数转换成BCD码后为12位，
因此需3个数码管显示结果。为了节省资源，采用扫描方式控制数码管的显示，扫描时钟由CK提供，其频率应大于100 Hz，
否则会有闪烁现象。
3 系统仿真及验证
当FPGA从AD0809上读取的数据为0F8H(十进制248)时输出的段码为66H、6FH、7D，分别对应字符4、9、6，加上小数点就
是4.96 V，而其分辨率为0.02 V，则A/D转换得到的电压值应为0F8x0.02 V=4.96 V。显示结果与理论推算完全相符。
选EPF10K10TC20TC144-4作为目标器件并进行正确的引脚锁定后，将程序下载到目标配置器件[6]。改变ADC0809的模拟通
道输入电压，观察数码管的输出，其输出随着输人电压的变化而变化，当输入电压变为0时，数码管的输出为0，输人为5 V时
数码管输出也为5.00 V，其余情况下输入与输出也一致，至此，基于FPGA的数字电压表设计完成。本设计的结果已通过硬件
测试。
4 结束语
本设计只用了ADC0809的一个通道，在不改变硬件电路的前提下，只要稍微改变VHDL的源程序，就可实现其余通道的利用，
构成复杂的数据采集系统。数据处理模块用查表方式设计，设计比较简单，易于理解，但对FPGA的芯片资源利用率不高，因
此要想编写出更高效率的数据处理源程序，可以用权位相加的方法实现，其原理见文献[5]。这种方法不是很好理解，但是其
资源利用率明显高于查表方式；同时可以用LCD(液晶显示器)代替LED显示，用LCD显示时译码程序要进行相应更改，以便与
LCD驱动时序同步。编码用ASCII码，并且由于LCD的速度较慢，因此时钟频率不能过高，否则将不能对LCD进行读写。本设
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