中国矿业大学徐海学院专业技能考核培训设计报告姓名：学号：专业：电子科学与技术设计题目：远程数据采集系统设计专题：基于CPLD/FPGA的电压数据采集指导教师：设计地点：时间： 201305062013 年5月CPLD课程设计任务书专业年级学号学生姓名任务下达日期：2013年 5 月6 日设计日期：2013年5月6日至 2013年5月20日设计题目：基于PC、MCU和CPLD/FPGA的远程数据采集系统设计设计专题题目：基于CPLD/FPGA的电压数据采集设计主要内容和要求：利用上位计算机、单片机、可编程逻辑器件和ADC器件构成一个远程数据采集系统，系统具备远程/就地两种控制模式，具有8通道循环采集和指定通道采集两种数据采集方式。
具体要求如下：1.CPLD/FPGA硬件电路和AHDL控制软件设计电路具备控制ADC0809的采集功能，具备6位数码管动态扫描功能，具备8位按键输入功能，具备和单片机信号交换功能。
2.单片机硬件电路和监控软件设计电路具备和CPLD/FPGA交换信息，以及和上位机算计进行RS232的通讯功能，能将上位机发出的控制指令下达到CPLD/FPGA中，并将采集的数据传送到上位计算机中。
3.单片机程序要求用C51编制。
上位机算计软件设计利用VB或VC程序编制上位计算机控制程序，实现远程数据采集功能并实时显示采集的数据和通道号。
指导教师签字：摘要随着科学技术的迅猛发展，新技术革命将把人类由工业化社会推进到信息化社会为主要内容的数据采集测试技术，已形成了一门专门的技术科学。
数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。
数据采集技术是信息科学的重要分支，它不仅应用在智能仪器中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到了广泛应用，无论是过程控制、状态检测，还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统。
本文介绍一种基于EP1K30TC144-3的CPLD/FPGA和89S52单片机的一种电压测量电路，基本内容包括单片机最小系统、AD转换电路、键盘和LED 显示电路，以及设计系统涉及的其他电路。
系统硬件电路由标准电路和自制电路两部分组成。
标准电路包括单片机最小系统、6个LED数码管电路和键盘电路以及CPLD/FPGA系统，这部分电路已制成电路板，自制电路自行设计焊接，包含标准电路不具备的其他电路。
系统软件根据设计任务自行设计独立编制并进行调试，最终实现利用上位机远程控制系统进行数据采集功能并实时显示采集的数据和通道号。
关键词：89S52单片机、EP1K30TC144-3芯片、CPLD/FPGA、上位机、电压采集、AD转换电路目录1 绪论 (1)1.1课程简介 (1)1.1.1课程设计的性质、目的和任务 (1)1.2系统设计思路 (1)1.3方案论证及比较 (2)1.3.1单片机控制方案的选用 (2)1.3.2 FPGA控制方案的选用 (2)1.4 系统设计原理框图 (3)2 硬件电路设计 (4)2.1单片机电路 (4)2.1.1单片机电路板 (4)2.1.2单片机最小系统 (5)2.1.3 显示译码电路 (5)2.2 A/D转换 (7)2.2.1 ADC0809内部结构 (7)2.2.2 ADC0809转换原理 (8)2.2.3 AD转换电路 (9)2.2.4电路设计 (9)2.3 硬件设计流程 (10)2.3.1 硬件设计流程图 (10)2.3.2 CPLD系统流程框图 (11)2.3.3 详细管脚说明 (11)3 软件设计 (13)3.1 设计任务 (13)3.1.1 基本任务 (13)3.1.2 扩展任务 (13)3.2程序设计 (13)3.2.1 软件设计流程 (13)3.2.2 单片机设计流图 (14)3.2.3 BCD码转换电路与显示电路设计程序: (14)3.2.4八位二进制乘法器 (17)3.2.5 用上位机和拨码开关控制8路通道选择： (17)3.2.6单片机与PC机通讯程序 (19)4 系统调试 (21)4.1 硬件部分 (21)4.2 软件部分 (21)5 总结 (23)参考文献： (24)附录二 ADC0809与单片机连接图 (26)附录三元器件清单 (27)附录四程序代码 (28)1 绪论1.1课程简介1.1.1课程设计的性质、目的和任务《单片机系统设计》是在学习《单片机原理及应用》、《CPLD》等相关理论课程之后，所设置的重要的综合性实践教学环节。
此次技能考核的目的是通过课题的设计、安装和调试，使我们全面了解掌握电子技术应用设计的基本技能，巩固已学的理论知识并综合应用，进行电子系统的设计，从而培养工程实践能力、创新能力，培养严肃认真的工作作风和科学态度，具备简单科技论文、技术综述报告的写作能力等。
通过查阅资料、选定方案、设计电路、安装调试、写技术报告等过程，得到一次科学研究工作的启蒙训练，也为以后利用单片机开发电子产品奠定坚实的基础。
在对远程数据采集装置进行设计时，其设计分为硬件设计与软件设计两部分，具体的设计流程如图:比较所选方案设计计算元器件选择硬件制作系统调试编制流程图1-1 设计流程图1.2系统设计思路本次实验要求设计基于单片机的电压数据采集装置，课程设计分设计、制作和调试三个部分。
设计选题以单片机、AD0809为核心，基本内容应包括单片机最小系统、CPLD系统、键盘（拨码开关）和LED显示电路，以及设计系统涉及的其他电路。
系统硬件电路由单片机系统和CPLD系统两部分组成。
其中单片机系统包括单片机最小系统、8个LED数码管电路和键盘电路，可根据设计需要进行配置选用。
CPLD系统则需自行设计焊接，包含EP1K30TC144芯片。
设计中采用了模数转换器，利用ADC0809型8位MOS型A/D转换器，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，实现模拟信号到数字信号的转换。
显示部分利用LED 数码管显示模块，来显示采集到的电压分量。
1.3方案论证及比较1.3.1单片机控制方案的选用方案一：采用8031为核心，由于其内部没有存储器，所以利用2764扩展8KB的外部存储器，用8031的两组I/O接口。
方案二：采用AT89C52作为核心，对AD转换的数据进行采集并显示。
其内置的8KB字节点擦除可编程EEPROM片内程序存储器和256字节RAM，无需外部扩展。
所以选用方案二，采用AT89C52作为核心，其片内程序存储器空间足够满足本系统程序存储器的需要，可以省去对片外EPROM程序存储器和地址锁存器，使电路结构简捷。
1.3.2 FPGA控制方案的选用方案一:采用EP1K30TC144-3为核心，具备6位数码管动态扫描功能和8位按键输入功能，以及与单片机进行信号交换等功能。
方案二：采用EP1K30TC144-3为核心，同样具备6位数码管动态扫描功能和8位按键输入功能，以及与单片机进行信号交换等功能。
且管脚数目较少，适合本次设计使用。
所以选用方案二，采用EP1K30TC144-3为核心，其功能已经满足设计需要，且应用简单，管脚分配方便，使电路结构简洁。
1.4 系统设计原理框图图1-2系统设计原理框图2 硬件电路设计系统硬件电路由单片机系统和CPLD系统两部分组成。
其中单片机系统包括单片机最小系统、8个LED数码管电路和键盘电路，可根据设计需要进行配置选用。
CPLD系统则需自行设计焊接，包含EP1K30TC144芯片。
2.1单片机电路2.1.1单片机电路板单片机电路板电路框图如图2；图2-1 电路框图2.1.2单片机最小系统图2-2单片机最小系统图该原理图包含单片机以及外部连接译码，锁存电路端口，其中的ALE,REST为高电平时用来启动ADC0809.P0、P2口控制数码输出显示，P3口的P3.3、P3.4、P3.5控制按键，P1.1~P1.3控制通道选择。
晶振采用12MHZ，该频率有利于提高串口的通信可靠性，同时又保证单片机有较高的运行速度。
2.1.3 显示译码电路LED显示电路可提供8位LED显示；可显示P1（P3）口状态；也可显示输入按键状态。
图2-3 LED显示电路显示电路采用6位共阳极LED动态扫描显示，CD4511输出所需字形，74LS138选择字位。
在动态方式中，逐个地循环地点亮各位显示器。
图2-4 数码管显示电路显示译码电路部分由P0口或P2口输出显示。
显示译码器采用CD4511芯片：输入：BCD 输出：七段码74LS138芯片是用来控制显示时候的字位的，由于单片机的管脚是有限的通过使用138芯片可以避免少使用些单片机的管脚，当输入001时，译码可得10111111:输入：0~7 输出：低电平2.2 A/D转换2.2.1 ADC0809内部结构ADC0809由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。
图2-5ADC0809结构图2.2.2 ADC0809转换原理图2-6 ADC0809转换工作时序工作原理：当单片机端的P3.3接低电平时，可以使两个非门打开（1）当模拟量送至某一输入通道后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。
（2）地址锁存允许ALE锁存地址信号，启动命令START启动A/D转换。
（3）转换开始,EOC变低电平，转换结束，EOC变为高电平。
EOC可作为中断请求信号。
（4）转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，打开三态缓冲器把转换的结果输入到DB，一次A/D转换便完成。
2.2.3 AD转换电路转换结束：EOC＝1图2-7 AD转换电路原理图2.2.4电路设计硬件资源分配数码管显示电路：用 P2 口：bcd 码输出－－P2.3~P2.0；字位选择－－ cba=P2.6~P2.4 ；小数点－－ P2.7键盘电路： P3口低四位1号按键P3.0---模式切换2号按键P3.1---通道、报警限加3号按键P3.2--通道、报警限减4号按键P3.3--查询法，接收ad转换状态（不作为按键使用）中断法，收ad结束中断信号ADC0809电压转换电路控制信号：/wr==p3.6 /rd==p3.7eoc== p3.3 Cs== p3.5转换通道选择地址线：CBA ==P1(6-4)2.3 硬件设计流程2.3.1 硬件设计流程图图2-8硬件设计框图2.3.2 CPLD系统流程框图图2-9 CPLD系统功能模块框图2.3.3 详细管脚说明（1）时钟源图2-10 时钟源与CPLD对应管脚连接图（2）输入开关图2-11 16个数据开关与CPLD对应管脚连接图（3）数码管显示实验箱有１0个数码管（SEG1——SEG10），采用共阴极８段LED显示。
