转——【小梅哥FPGA进阶教程】第十三章 四通道数字电压表

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十三、四通道数字电压表

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本文由山东大学研友袁卓贡献，特此感谢

% l" o' L/ }1 J8 q& Q6 w8 i0 j实验目的
设计一个四通道的数字电压表

实验平台
芯航线FPGA核心板、AD/DA模块
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2 q" f: I9 H, I! E* M

实验现象
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。
% b; p# `" a* L. \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。

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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

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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

" _7 [7 S' `9 x5 `6 z

，且当其输出为’d

时，实际电压为

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7 M( p3 |5 _9 f% D  q# ~

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。

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图2 ADC模块接口示意图

数据预处理模块

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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。

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  J3 k2 k4 ~  A- t9 A6 D3 \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。
7 h+ M/ @. q2 B1 B# \! @9 E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。
5 U7 ^0 [2 ?) E5 M( X; s1 r# a

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。

, a, z* {1 Y, |" N0 o; z/ |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。
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图3 数据预处理模块接口示意图

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。

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8 g9 P! ~# W5 x  I/ A! _1 G- a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。
9 e% W2 K& m- k

* L4 i! i7 ]5 I7 X利用上面推导的公式即可输出最后的数据。

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。
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。

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4 e/ A( B$ _" S4 F" E# p

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。

表3给出了一个二进制码11101011转换成8421BCD码的时序。

1 w+ ^, @4 O+ x4 [& x+ d

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。

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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。
6 w! W$ E% P6 X0 v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。

% |! {5 {# |  s8 F/ f9 m现在编写顶层文件，其端口示意图及功能描述如下所示/

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

向左移位20次。

3 l2 ]* g3 w+ [" g

* I' l: f. e6 f

- p4 M+ g* P7 d8 f
+ G& h7 {. x; q* u! C5 Z校验以及输出最终输出数据。

按键输入模块
本部分在基础课程中也有介绍，此处只给出其端口示意图。
5 V: N- _/ a% p* P  Q7 c

图5 按键输入模块接口示意图

通道选择模块
" ~) u% s! J, k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。
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5 S1 a0 r" k, J1 G  l& Z, n, J- m
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图6 通道选择模块接口示意图

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1 L: Y! h! f# m% b# z3 r8 |

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。

% I: T- ^; k; ]0 E, z$ j" c

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。

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图7 数码管模块接口示意图

顶层设计

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。

5 o0 z% F5 W! R6 A9 W! H' Z

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图8 顶层模块接口示意图

综合后的RTL视图如图9所示。

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8 l( z  @1 L2 [$ v" ~3 o# n3 r

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。

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$ a' L. a6 W8 E# t* q( \至此一个四通道数字电压表设计完毕。
  W, u- y, u) c附：基于查找表的数据电压换算
  {: n% s$ @8 F6 H: Z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。
# [. z! i/ g) U, q( ]6 W' Q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
4 w4 J) o9 Q. e7 [5 ]" w

* K' l( Y) v2 T$ `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。
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* X+ Y( y/ S5 I) l- _- Q
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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。
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. B5 L) }# O4 D' U9 Z

2 o: z/ \: z1 c5 u

! A7 c% H. ~$ L# c" s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。

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小梅哥

芯航线电子工作室

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