转——【小梅哥FPGA进阶教程】第十三章 四通道数字电压表

Zedd

  j$ J3 M( m9 g7 @6 r5 ?( V

十三、四通道数字电压表

- _) g; g% i. v! x1 I

本文由山东大学研友袁卓贡献，特此感谢

- a8 }; x& B4 ], U9 D实验目的
3 p9 r9 m" \7 g) T) E7 j设计一个四通道的数字电压表

2 K  q/ |) Z9 {3 |6 w1 _实验平台
芯航线FPGA核心板、AD/DA模块
9 T) E3 ~9 U: H* W5 _8 b

. A. A/ C: A, k4 @8 h, d1 m  p: c

8 ?  B0 k7 m7 r0 i( @( E/ R实验现象
. o/ {8 E- {  ]' B9 R实现一个四通道的数字电压表，其中可以用按键切换测量通道并在4位数码管上显示对应的测量值。
! i+ ], K% I: E5 |1 j) H实验原理及步骤
数字电压表的工作原理即为，被测信号接入ADC模块的输入引脚，FPGA控制ADC的转换进程以及原始数据的采集，并将其采集到的二进制数据转换为数码管的显示数据。其中按键可以选择ADC模块不同的通道。其系统工作原理图如图1所示。
( M7 u% j. A- {7 ]) c

) |9 Y* @6 c# x: R0 [6 }& D

图1 系统工作原理图

由工作原理图可以暂时将本系统划分为ADC控制模块、码制转换模块、按键数据模块以及数码管驱动模块组成。

ADC控制模块之TLV1544

: U9 L1 h* n3 g* @3 r1 {0 _

本系统采用的是TLV1544芯片，其为10位的ADC。因此其理论测量精度为

0 @" j+ a$ X, K  x# d

，且当其输出为’d

时，实际电压为

5 o' z. g8 w; e5 j$ o3 u
+ i, t# ?3 \+ T

V。本模块的设计在基础课程已经讲解，此处不再详述。其模块接口示意图如下所示。

; b+ b9 H, C% D  {

图2 ADC模块接口示意图

数据预处理模块

* w: Y$ z( K% ?/ w( E1 S1 h

ADC模块输出还是一个十位二进制数，因此需要先将数据转换成实际电压值。

. ?7 M6 p6 z+ a4 l6 ]上式中3.42为满量程电压，data为输出的二进制数，1024为ADC总的阶梯数。之所以是3.42，是本模块基准电源TL341输出电压。
# @* S3 _! G1 ~这样得出的数据太小，因此先将其放大 倍。这里也可以放大其他倍数。

3 ^! J0 k5 t! e$ {经过上式的转换， 还是一个小数，这里再放大1000倍以消除小数。即实际显示的数据为实际电压的1000倍。这样就完成了二进制数到实际电压的转换。
  j& w/ t% U1 `2 p0 }- c' L

由于在上面TLV1544驱动设计中，数据更新速度为4000ns/次。这样已足够用做电压表显示，但是此处为了使数据稳定，加入均值滤波程序。本模块接口示意图如图3所示，其接口功能列表如表1所示。
2 I6 B- J- I3 R: ~5 U

) c* ]5 \: ?) t8 r4 K

图3 数据预处理模块接口示意图

: D  x9 _  Z- F& a

表1 数据预处理模块接口功能描述

先将原始数据进行累加1024次。

" n  M. y, ]2 e+ ]3 F3 D将累加后的数据除以1024，也就是右移10位，这里数据总位数为20直接取其高10位即可。
' F+ D$ q( I. G8 G& J0 u

& s! T( z5 W; Z7 U: G5 o, s利用上面推导的公式即可输出最后的数据。

' H' q7 M! k0 ~5 A: e, t码制转换模块
由于ADC输出的为10位二进制数而数码管需要的是BCD码的格式，因此需要将其进行码制的转换。
# @% C8 s6 q9 ?& h$ L, l. B首先，先了解二进制与BCD码的位数对应关系。比如一个8位二进制码，可以表示的最大十进制数为255，转换成BCD码为 0010_0101_0101，共需12位，其中每4位组成一个BCD单元。n位二进制码转换成D个BCD码的n~D对应关系表见表2。

表2  n~D对应关系

此处采用加3移位法进行转换，附件中列举了另一种方式来进行转换。以8位二进制转换为3位BCD码为例，转换步骤是：将待转换的二进制码从最高位开始左移BCD的寄存器（从高位到低位排列），每移一次，检查每一位BCD码是否大于4，是则加上3，否则不变。左移8次后，即完成了转换。需要注意的是第八次移位后不需要检查是否大于5。

注意：为什么检查每一个BCD码是否大于4，因为如果大于 4（比如 5、6），下一步左移就要溢出了，所以加 3，等于左移后的加 6，起到十进制调节的作用。

+ {& \' D7 `* {9 q9 W( p

表3给出了一个二进制码11101011转换成8421BCD码的时序。

8 |7 R2 W" s5 W; o9 m7 `) S

表3  B/BCD时序

首先进行判断一个BCD码是否大于4，是则进行加3处理，否则输出原来数值。

3 a  e' z/ z+ S" A' E( k2 ?  @

由以上原理可看出，这里需要定义一个10+12位的寄存器。同时从表3克拿出有几位二进制数就需移位几次。这里为了增加适用范围，将输入定位20位的二进制数，因此输出为7*4位BCD数。这样定义一个48位的移位寄存器。低20位为二进制数，高28位为BCD码。
/ a4 m8 p& Y  t* w) ]* _2 s( {) d每移位一次就需验证高28位BCD码是否大于4因此，编写以下代码。
1 K7 P0 ^. r8 e& @; m3 s

/ w8 ]( {: g5 P4 L2 x/ i* ]1 k现在编写顶层文件，其端口示意图及功能描述如下所示/
3 `+ b, e' p$ D* U( Q

. b5 U" Y; u# z0 c9 Z9 C; g/ Q- v

图4 码制转换模块接口示意图

表4 码制转换模块接口功能描述

% [. g& t! \% Z  ]: t! j向左移位20次。

2 Y/ m) r# v) I

& K- ~/ g! G3 h# `

校验以及输出最终输出数据。
& F: ~5 T8 }6 P& F8 x8 Y$ j8 t! V

$ i+ V( x0 f/ {, @按键输入模块
- h; \, m3 D  W  H本部分在基础课程中也有介绍，此处只给出其端口示意图。
* U+ G* v8 I6 b9 i1 a

图5 按键输入模块接口示意图

通道选择模块
, V/ }2 d: p; ?. J通过按键进行ADC四通道的选择，本模块接口示意图以及功能描述如下所示。
8 G, p7 d( S& Y& m* R

图6 通道选择模块接口示意图

* |7 T, ^: b$ A' f) U% j
, j  q& I8 V( b3 s

表5 通道选择模块接口功能描述

内部除了例化还需产生通道选择信号，这里用的模块有四个通道但是为何按键一来就加’d2，是因为通道选择实际信号需为0000、0010、0100、1000，这样我们就需要加’d2。

- u1 }5 Y* @: I6 G; q

数码管驱动模块
本部分在基础课程中也有介绍，此处只给出其端口示意图。

9 l' _( W. q2 n+ u4 V' Y

图7 数码管模块接口示意图

顶层设计

5 Z- O+ _. Z3 s3 P# ~

此处只需例化各个模块即可，顶层模块接口示意图如下所示。

, `6 H9 q! O1 L0 p
+ ?% G3 G4 L& J6 v4 e

图8 顶层模块接口示意图

综合后的RTL视图如图9所示。

# A% z8 m. m" W1 }2 n+ Y

/ n: g% }# v4 Z

图9 RTL Viewer视图

分配好引脚下载后可以看到改变输入电压，数码管上均有正常的显示，且切换通道时数据可以随之更新。

  p7 K' l, `; m  F/ K5 x

$ u+ P& b. Z0 K- W* \  B至此一个四通道数字电压表设计完毕。
" ]) U" d* U2 \! ~9 d# |附：基于查找表的数据电压换算
前面指出了一种数据处理及码制的方式，这里再列举利用查找表的实现方式。
这里因为是输入的10位二进制数，也就是说每一位变化对应的变化量为即为精度，这样就可以得出以下待转换数据与实际电压的对照表。这样当3.296v

. h4 w8 U! G$ w/ t2 h

1 j: S) b2 y( m, U7 V4 E% Y( h

这样就可以建立一个查找表，来分别计算其对应位的电压值的BCD码，然后相加。
; @. p: b0 Z1 `* Y5 \1 R

5 v) E$ M) k* Z- |% P9 a0 D  h/ u8 ?如果0~3位相加大于9，则加6调整为BCD码，并产生进位信号。再进行4~7位相加加上进位信号判断，再判断8-9位。

. C* B' h8 o; W% W

# ], P0 U% [2 U
这样再将以上两个部分放置到一个always块中即可。同样可以看到实际效果。将输入数据显示格式修改为十进制后，输入512时输出0001_0110_0101_0000。此时实际电压为512*3.296/1024=1.648，显示为1.650。输入256时实际电压0.824，显示为0.825。

+ _9 |. M8 Q# w3 _' H3 |( f/ a

: ]! k4 f, B6 v, \) M0 k" W
7 V) S/ G8 n5 q) J! b* I. Z  M

如有更多问题，欢迎加入芯航线 FPGA 技术支持群交流学习：472607506

小梅哥

芯航线电子工作室

游客，如果您要查看本帖隐藏内容请回复

1 h2 e0 q  w5 H  b$ V

wu68aq

good