【小梅哥FPGA进阶教程】第十三章 四通道数字电压表
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 [19:0]Hex_SUM; reg [9:0]Hex; reg [9:0]cnt; always@(posedge Clk or negedge Rst_n) if(!Rst_n) cnt <= 10'b0; else if(ADC_flag) cnt <= cnt + 1'b1; else cnt <= cnt; always@(posedge Clk or negedge Rst_n) if(!Rst_n) Hex_SUM <= 20'd0; else if(cnt == 1023 && ADC_flag) Hex_SUM <= 20'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 <= 10'b0; else if(cnt == 1023 && ADC_flag) Hex <= Hex_SUM[19:10]; else Hex <= Hex;
利用上面推导的公式即可输出最后的数据。
assign Voltage = (219264 * Hex) >> 16;
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 [3:0] bcd_in; output [3:0] bcd_out; reg [3:0] bcd_out; always @ (bcd_in) begin if (bcd_in > 4) bcd_out = bcd_in + 2'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 [47:0] data_in; output [47:0] data_out; bcd_single_modify bcd6(.bcd_in(data_in[47:44]), .bcd_out(data_out[47:44])); bcd_single_modify bcd5(.bcd_in(data_in[43:40]), .bcd_out(data_out[43:40])); bcd_single_modify bcd4(.bcd_in(data_in[39:36]), .bcd_out(data_out[39:36])); bcd_single_modify bcd3(.bcd_in(data_in[35:32]), .bcd_out(data_out[35:32])); bcd_single_modify bcd2(.bcd_in(data_in[31:28]), .bcd_out(data_out[31:28])); bcd_single_modify bcd1(.bcd_in(data_in[27:24]), .bcd_out(data_out[27:24])); bcd_single_modify bcd0(.bcd_in(data_in[23:20]), .bcd_out(data_out[23:20])); assign data_out[19:0] = data_in[19:0]; 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 [47:0] shift_reg; wire [47:0] shift_reg_out; wire [47:0]tmp; reg [47:0]bcd_tmp; reg [4:0] cnt = 5'b0; assign tmp = {28'b0,Bin};
向左移位20次。
always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) begin Done_Sig <= 1'b0; cnt <= 5'd0; shift_reg <= 48'd0; end else begin case(cnt) 0:begin Done_Sig <= 1'b0; if(Do_Translate) begin cnt <= cnt + 1'b1; shift_reg <= tmp<<1; end else cnt <= 1'b0; end 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18: begin shift_reg <= (shift_reg_out<<1); cnt <= cnt + 1'b1; end 19: begin bcd_tmp <= shift_reg_out<<1; Done_Sig <= 1; cnt <= 5'b0; end default :cnt <= 5'b0; endcase end end
校验以及输出最终输出数据。
assign Bcd = bcd_tmp[47:20]; 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 <= 0; else if(key_flag && !key_state)begin if(ADC_CHSEL == 4'b0110) ADC_CHSEL <= 4'd0; else ADC_CHSEL <= ADC_CHSEL + 2'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 [15:0] data1; reg [15:0] data2; reg [15:0] data3; case(ADC_DATA[3:0]) 4'b0000:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0000_0000; 4'b0001:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0000_0011; //.003 4'b0010:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0000_0110; //.006 4'b0011:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0001_0000; //.010 4'b0100:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0001_0011; //.013 4'b0101:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0001_0110; //.016 4'b0110:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0001_1001; //.019 4'b0111:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0010_0011; //.023 4'b1000:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0010_0110; //.026 4'b1001:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0010_1001; //.029 4'b1010:data1[15:0] = 16'b0000_0000_0011_0010; //.032 4'b1011:data1[15:0] = 16'b0000_0010_0011_0101; //.035 4'b1100:data1[15:0] = 16'b0000_0010_0011_1001; //.039 4'b1101:data1[15:0] = 16'b0000_0010_0100_0010; //.042 4'b1110:data1[15:0] = 16'b0000_0010_0100_0101; //.045 4'b1111:data1[15:0] = 16'b0000_0010_0100_1000; //.048 endcase case(ADC_DATA[7:4]) 4'b0000:data2[15:0] = 16'b0000_0000_0000_0000; 4'b0001:data2[15:0] = 16'b0000_0000_0101_0010; //.052 4'b0010:data2[15:0] = 16'b0000_0001_0000_0011; //.103 4'b0011:data2[15:0] = 16'b0000_0001_0101_0101; //.155 4'b0100:data2[15:0] = 16'b0000_0010_0000_0110; //.206 4'b0101:data2[15:0] = 16'b0000_0010_0110_1000; //.258 4'b0110:data2[15:0] = 16'b0000_0011_0000_1001; //.309 4'b0111:data2[15:0] = 16'b0000_0011_1000_0001; //.361 4'b1000:data2[15:0] = 16'b0000_0100_0001_0011; //.413 4'b1001:data2[15:0] = 16'b0000_0100_0110_0100; //.464 4'b1010:data2[15:0] = 16'b0000_0101_0001_0110; //.516 4'b1011:data2[15:0] = 16'b0000_0101_0011_0111; //.567 4'b1100:data2[15:0] = 16'b0000_0110_0001_1000; //.618 4'b1101:data2[15:0] = 16'b0000_0110_0111_0000; //.670 4'b1110:data2[15:0] = 16'b0000_0111_0010_0001; //.722 4'b1111:data2[15:0] = 16'b0000_0111_0111_0011; //.773 endcase case(ADC_DATA[9:8]) 2'b00: data3[15:0] = 16'b0000_0000_0000_0000; 2'b01: data3[15:0] = 16'b0000_1000_0010_0101; //.825 2'b10: data3[15:0] = 16'b0001_0110_0101_0000; //1.650 2'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[3:0] c1; //低4位BCD进位信号 reg[3:0] c2; //中 reg[3:0] c3; if(data1[3:0]+data2[3:0]+data3[3:0] < 5'b01010) begin disp_data[3:0] = data1[3:0]+data2[3:0]+data3[3:0]; c1 = 0000; end else begin disp_data[3:0] = data1[3:0]+data2[3:0]+data3[3:0]-4'b1010; c1 = 0001; end if(c1+data1[7:4]+data2[7:4]+data3[7:4] < 5'b01010) begin disp_data[7:4] = c1+data1[7:4]+data2[7:4]+data3[7:4]; c2 = 0000; end else begin disp_data[7:4] = c1+data1[7:4]+data2[7:4]+data3[7:4]-4'b1010; c2 = 0001; end if(c2+data1[11:8]+data2[11:8]+data3[11:8] < 5'b01010) begin disp_data[11:8] = c2+data1[11:8]+data2[11:8]+data3[11:8]; c3 = 0000; end else begin disp_data[11:8] = c2+data1[11:8]+data2[11:8]+data3[11:8]-4'b1010; c3 = 0001; end if(c3+data1[15:12]+data2[15:12]+data3[15:12] < 5'b01010) begin disp_data[15:12]=c3+data1[15:12]+data2[15:12]+data3[15:12] ; end else begin disp_data[15:0]=1'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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