【小梅哥FPGA进阶教程】第十三章 四通道数字电压表

芯航线跑堂

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。