十三、四通道数字电压表

本文由山东大学研友袁卓贡献,特此感谢

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

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。

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。

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

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,且当其输出为’dx时,实际电压为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。

图2 ADC模块接口示意图

数据预处理模块

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。

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。

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。

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。

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。

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。

    reg [:]Hex_SUM;
reg [:]Hex; reg [:]cnt;
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
cnt <= 'b0;
else if(ADC_flag)
cnt <= cnt + 'b1;
else
cnt <= cnt; always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
Hex_SUM <= 'd0;
else if(cnt == && ADC_flag)
Hex_SUM <= 'd0;
else if(ADC_flag)
Hex_SUM <= Hex_SUM + Hex_data;
else
Hex_SUM <= Hex_SUM;

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。

    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
Hex <= 'b0;
else if(cnt == && ADC_flag)
Hex <= Hex_SUM[:];
else
Hex <= Hex;

利用上面推导的公式即可输出最后的数据。

   assign Voltage = ( * Hex) >> ;  

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。

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。

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。

module bcd_single_modify(bcd_in,bcd_out);

    input [:] bcd_in;
output [:] bcd_out; reg [:] bcd_out; always @ (bcd_in)
begin
if (bcd_in > )
bcd_out = bcd_in + 'd3;
else
bcd_out = bcd_in;
end endmodule

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。

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。

module bcd_modify(data_in, data_out);

    input [:] data_in;
output [:] data_out; bcd_single_modify bcd6(.bcd_in(data_in[:]), .bcd_out(data_out[:]));
bcd_single_modify bcd5(.bcd_in(data_in[:]), .bcd_out(data_out[:]));
bcd_single_modify bcd4(.bcd_in(data_in[:]), .bcd_out(data_out[:]));
bcd_single_modify bcd3(.bcd_in(data_in[:]), .bcd_out(data_out[:]));
bcd_single_modify bcd2(.bcd_in(data_in[:]), .bcd_out(data_out[:]));
bcd_single_modify bcd1(.bcd_in(data_in[:]), .bcd_out(data_out[:]));
bcd_single_modify bcd0(.bcd_in(data_in[:]), .bcd_out(data_out[:]));
assign data_out[:] = data_in[:]; endmodule

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

    reg [:] shift_reg;
wire [:] shift_reg_out;
wire [:]tmp;
reg [:]bcd_tmp; reg [:] cnt = 'b0; assign tmp = {'b0,Bin};

向左移位20次。

    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
begin
if(!Rst_n)
begin
Done_Sig <= 'b0;
cnt <= 'd0;
shift_reg <= 'd0;
end
else
begin
case(cnt)
:begin
Done_Sig <= 'b0;
if(Do_Translate)
begin
cnt <= cnt + 'b1;
shift_reg <= tmp<<;
end
else
cnt <= 'b0;
end ,,,,,,,,,,,,,,,,,:
begin
shift_reg <= (shift_reg_out<<);
cnt <= cnt + 'b1;
end :
begin
bcd_tmp <= shift_reg_out<<;
Done_Sig <= ;
cnt <= 'b0;
end
default :cnt <= 'b0;
endcase
end
end

校验以及输出最终输出数据。

    assign Bcd = bcd_tmp[:];

    bcd_modify bcd_modify
(
.data_in(shift_reg),
.data_out(shift_reg_out)
);

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。

图5 按键输入模块接口示意图

通道选择模块

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。

图6 通道选择模块接口示意图

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。

    wire key_state;
wire key_flag; always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
ADC_CHSEL <= ;
else if(key_flag && !key_state)begin
if(ADC_CHSEL == 'b0110)
ADC_CHSEL <= 'd0;
else
ADC_CHSEL <= ADC_CHSEL + 'd2;
end
else
ADC_CHSEL <= ADC_CHSEL;

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。

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。

图8 顶层模块接口示意图

综合后的RTL视图如图9所示。

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。

至此一个四通道数字电压表设计完毕。

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

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。

     reg [:] data1;
reg [:] data2;
reg [:] data3;
case(ADC_DATA[:])
'b0000:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0000_0000;
'b0001:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0000_0011; //.003
'b0010:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0000_0110; //.006
'b0011:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0001_0000; //.010
'b0100:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0001_0011; //.013
'b0101:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0001_0110; //.016
'b0110:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0001_1001; //.019
'b0111:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0010_0011; //.023
'b1000:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0010_0110; //.026
'b1001:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0010_1001; //.029
'b1010:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0011_0010; //.032
'b1011:data1[15:0] = 16'b0000_0010_0011_0101; //.035
'b1100:data1[15:0] = 16'b0000_0010_0011_1001; //.039
'b1101:data1[15:0] = 16'b0000_0010_0100_0010; //.042
'b1110:data1[15:0] = 16'b0000_0010_0100_0101; //.045
'b1111:data1[15:0] = 16'b0000_0010_0100_1000; //.048
endcase
case(ADC_DATA[:])
'b0000:data2[15:0] = 16'b0000_0000_0000_0000;
'b0001:data2[15:0] = 16'b0000_0000_0101_0010; //.052
'b0010:data2[15:0] = 16'b0000_0001_0000_0011; //.103
'b0011:data2[15:0] = 16'b0000_0001_0101_0101; //.155
'b0100:data2[15:0] = 16'b0000_0010_0000_0110; //.206
'b0101:data2[15:0] = 16'b0000_0010_0110_1000; //.258
'b0110:data2[15:0] = 16'b0000_0011_0000_1001; //.309
'b0111:data2[15:0] = 16'b0000_0011_1000_0001; //.361
'b1000:data2[15:0] = 16'b0000_0100_0001_0011; //.413
'b1001:data2[15:0] = 16'b0000_0100_0110_0100; //.464
'b1010:data2[15:0] = 16'b0000_0101_0001_0110; //.516
'b1011:data2[15:0] = 16'b0000_0101_0011_0111; //.567
'b1100:data2[15:0] = 16'b0000_0110_0001_1000; //.618
'b1101:data2[15:0] = 16'b0000_0110_0111_0000; //.670
'b1110:data2[15:0] = 16'b0000_0111_0010_0001; //.722
'b1111:data2[15:0] = 16'b0000_0111_0111_0011; //.773
endcase
case(ADC_DATA[:])
'b00: data3[15:0] = 16'b0000_0000_0000_0000;
'b01: data3[15:0] = 16'b0000_1000_0010_0101; //.825
'b10: data3[15:0] = 16'b0001_0110_0101_0000; //1.650
'b11: data3[15:0] = 16'b0010_0100_0101_0111; //2.457
endcase

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。

reg[:] c1; //低4位BCD进位信号
reg[:] c2; //中
reg[:] c3;
if(data1[:]+data2[:]+data3[:] < 'b01010) begin
disp_data[:] = data1[:]+data2[:]+data3[:];
c1 = ;
end
else begin
disp_data[:] = data1[:]+data2[:]+data3[:]-'b1010;
c1 = ;
end if(c1+data1[:]+data2[:]+data3[:] < 'b01010) begin
disp_data[:] = c1+data1[:]+data2[:]+data3[:];
c2 = ;
end
else begin
disp_data[:] = c1+data1[:]+data2[:]+data3[:]-'b1010;
c2 = ;
end if(c2+data1[:]+data2[:]+data3[:] < 'b01010) begin
disp_data[:] = c2+data1[:]+data2[:]+data3[:];
c3 = ;
end
else begin
disp_data[:] = c2+data1[:]+data2[:]+data3[:]-'b1010;
c3 = ;
end if(c3+data1[:]+data2[:]+data3[:] < 'b01010) begin
disp_data[:]=c3+data1[:]+data2[:]+data3[:] ;
end
else begin
disp_data[:]='bz;
end

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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