王连华 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院

基于FPGA和高速串行接口AD转换器AD7476的接口应用

王连华 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院

在科学研究、工程应用、工业生产中，数据采集系统的设计与实现对数据的通信接口提出了要求。基于FPGA与高速串行接口AD转换器AD7476，本文论述了线性序列机的设计方法，实现了储罐底板三维漏磁检测器的数据采集方案。实践证明该方法简单、实用，为工程应用提供了支持。

线性序列机，FPGA，数据采集，接口

引言

高速串行接口(HSSI)，是由Cisco System和T3plus Networking公司共同推出的串行接口标准。 FPGA作为可编程逻辑器件, 以其高性能和灵活性广泛应用在接口逻辑，数据通信，信号处理等领域。将FPGA编程的灵活性和高速串行接口的可靠性结合, 实现AD7476的数据采集功能。

1.AD7476 的特点及操作时序

12位AD7476是逐次逼近式ADC，模拟输入范围为0V～电源电压，其吞吐率高达1MSPS而功耗仅15mW，采用6针脚的SOT-23封装。数字接口通过高速串行接口与外围器件连接，与SPI[1]、QSPIMICROWIRE和DSP兼容。AD7476接口时序如图1所示。它的工作方式是：在使能信号CS保持低电平的状态下，数据由Vin输入，在输入时钟SCLK的上升沿由移位寄存器移动到SDATA信号线[2]，经过16次的时钟信号，完成16位数据的传输[3]。

2.基于FPGA的高速串行接口设计

高速串行接口适用于主芯片与从芯片的连接, 在系统设计中，可编程芯片FPGA作为主芯片， AD7476芯片作为外围从芯片通过高速串行接口连接至FPGA芯片。该系统选用Altera公司的FPGA芯片,该公司的产品芯片功能全面,性价比高。 AD7476支持高速串行接口与外围器件连接。通过硬件电路设计实现高速串行接口的物理连接。器件连接原理如图2所示[4]。

FPGA内部高速串行控制电路采用Verilog HDL语言编程，基于线性序列机的思想，完成AD7476的接口设计。软件发起控制命令后，产生AD_START脉冲信号，标志开始采集,计数器开始计数。与计数器相配合,根据AD7476的时序要求发出相应的控制信号。在时序控制电路的作用下，将16位串行总线的数据移位到AD_DATA上，完成AD转换和数据采集。其时序控制电路设计流程如图3。

3.仿真验证

图1 AD7476接口时序图

ModelSim是优秀的HDL语言仿真软件，提供友好的仿真环境，个性化的图形界面和用户接口，为用户调试提供强有力的手段[5]。本文采用Verilog HDL语言编写testbench文件在Modelsim进行测试。时序仿真结果如图4所示，基于线性序列机思想，实现了AD芯片的使能信号的开关，时钟信号的产生和数据信号的传输，验证了设计方案的可行性。仿真结果中有一定的延时, 这是在实际工程中也会出现的情况。

4. 结语

基于FPGA与高速串行口AD转换器AD7476，本文论述了线性序列机的设计思想，实现了数据的可靠通信。经仿真结果验证，该接口的设计正确、可行。高速串行接口适合于高速数据采集系统与主机进行数据通信，为储罐底板漏磁检测系统提供了方便、快捷和可靠的接口解决方案。

[1] 苏旭武，吴斌方，杨光友，程良明.基于FPGA的SPI接口AD转换器TLV2543的接口应用[J].软件导刊，2006(13)∶74-76.

[2] 李志刚，李强，陈雪峰.基于FPGA和SPI接口DAC在某导航雷达前端控制中的应用[J].信息化研究，2012(5).

[3] 王珏文，金伟信，蔡一兵，颜莉萍.基于FPGA的SPI总线接口的实现[J].现代电子技术，2010, 33(14)∶102-104.

[4] 何丹，李树国SD存储卡接口SPI模式的FPGA实现[J].微电子学，2014(2).

[5] 于斌，谢龙汉.MODELSIM电子系统分析及仿真[M].北京：电子工业出版社，2014.

图2 FPGA与AD7464连接原理框图

图4 时序仿真结果

图3 时序控制电路设计流程图

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