基于CPLD的高速數據采集系統的實(shí)現

　　目前國內專(zhuān)門(mén)針對液壓系統的數據采集產(chǎn)品比較少，而且存在諸如采集參數選擇不當或不夠、采集速率偏低、未能準確反映液壓系統的工作狀況、接口不利于安裝或傳輸速度太慢等問(wèn)題。本文設計了一種基于CPLD（復雜可編程邏輯器件）+FX2（單片機CY7C68013）的便攜式高速數據采集系統，采用了數據流驅動(dòng)多模塊并行技術(shù)和USB2.0接口。實(shí)踐證明，該方案結構簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)時(shí)同步采集和傳輸速度相當于DSP系列的數據采集產(chǎn)品。

　　1 設計思路

　　數據采集包括采集量到電參量的轉換、信號調理、模/數轉換、數據緩沖、數據發(fā)送等幾部分。一般采用主控芯片直接控制模，數轉換、數據緩沖、數據發(fā)送等模塊順序執行的方式，如圖1（a）所示。要達到較高的采集速度，須使用如DSP等高速主控芯片，為此而增加了系統成本和軟、硬件的調試難度。

　　本設計選用Cypress公司帶智能USB接口引擎和4K FTFO的單片杌CY7C68013（FX2），其USB數據發(fā)送部分可獨立自動(dòng)執行。選用Altem公司的CPLD器件EPM7128，采用VefilogHDL語(yǔ)言編程，設計模/數轉換、數據緩存集成控制電路。并采用數據流驅動(dòng)多模塊并行技術(shù)，當模塊執行所需的數據滿(mǎn)足條件時(shí)立即執行，三種模塊可并行執行，如圖1（b）所示，從而可通過(guò)低主頻CPU來(lái)控制高速數據采集。

　　上位機軟件采用美國國家儀器公司的IabVIEW語(yǔ)言編寫(xiě)?；趫D形化編程的G語(yǔ)言使得上位機軟件的開(kāi)發(fā)效率大大提高。特別是其N(xiāo)I-VISA3.0（Virtual Instrumentation Software Arehitecture）控件的推出，可以通過(guò)調用其標準化面向具體功能的、通用儀器的API（Application Programmer Interface）驅動(dòng)接口實(shí)現自主開(kāi)發(fā)的USB設備的驅動(dòng)。

　　2 硬件設計

　　系統硬件配置如圖2所示。液壓系統中的壓力、流量、溫度以及振動(dòng)頻率等模擬量通過(guò)傳感器變換為電信號后，經(jīng)放大、緩沖、濾波等調理電路處理后，由模擬開(kāi)關(guān)電路選擇后送A/D芯片（AD574）轉換成數字信號，并寫(xiě)入FX2內置的FIFO，由內部集成的uSB控制器自動(dòng)發(fā)往上位機，完成數據采集。CPLD控制器除控制模擬開(kāi)關(guān)電路和ADC（模，數轉換電路）外，還控制將采集得到的數據寫(xiě)入FX2的FIFO?？刂破髟O計采用數據流驅動(dòng)多模塊并行技術(shù)，以提高控制電路的執行效率。系統固件程序燒錄于E2ROM中，通電或復位時(shí)，FX2自動(dòng)加載。系統配備了直流電源，以滿(mǎn)足室外便攜采集的需要。

3 軟件設計

　　3．1 CPLD程序設計

　　CPLD內含ADC采集控制和FIFO控制兩個(gè)模塊，A／D采集控制模塊包括通道選擇、轉換時(shí)序發(fā)生和轉換狀態(tài)檢測等部分，FIFO控制模塊實(shí)現FIFO的寫(xiě)時(shí)序控制。FIF0寫(xiě)控制模塊采用轉換數據為觸發(fā)條件，當A／D轉換完成并把數據送到總線(xiàn)時(shí)，發(fā)出寫(xiě)FIFO觸發(fā)脈沖，FIFO寫(xiě)控制模塊將總線(xiàn)數據寫(xiě)入FIFO；A/D采集控制模塊則以自身的采集數據狀態(tài)和FIFO寫(xiě)完成作為執行條件。兩個(gè)模塊在單片機控制下并行執行，與此同時(shí)，當FIFO寫(xiě)滿(mǎn)，智能USB控制器將FIFO內的數據發(fā)往上位機，實(shí)現了低主頻CPU控制高速同步數據的采集和傳輸。由于USB控制器的傳輸率可高達480Mbps，采用兩片FIFO緩沖，采集頻率低于10MHz則可避免因uSB傳輸丟失數據。

　　3．1．1 A/D采集控制模塊

　　AD574獨立操作模式（stand alone）工作時(shí)，通過(guò)R／C腳進(jìn)行轉換和讀取控制，同時(shí)需要監控STATUS腳，在A(yíng)／D芯片轉換完畢后將12位轉換數據并行輸出到總線(xiàn)，同時(shí)輸出寫(xiě)FIFO觸發(fā)脈沖。圖3所示為ADC控制器流程圖，據此可設計相應的VefilogHDL程序。

　　3.1.2 FIFO控制模塊

　　CY68013除自帶USB2.0控制器外，還有一個(gè)4K×8b的FIFO，共分成4個(gè)端點(diǎn)，端點(diǎn)大小和緩沖層次可編程設置。本文設置成SLAVE FIFO工作模式，兩個(gè)上傳FIF0片（端點(diǎn)）。通過(guò)SLWR控制總線(xiàn)上的數據寫(xiě)入FIFO。當數據寫(xiě)滿(mǎn)一片FIFO時(shí)，FIFO控制模塊切換地址，以避免數據丟失，保證轉換、發(fā)送的連續性。寫(xiě)滿(mǎn)數據的端點(diǎn)由USB控制器自動(dòng)發(fā)送。

　　如果在采集過(guò)程中FIFO控制器接到停止采集命令后，FIFO控制模塊產(chǎn)生PKTEND信號，指示USB控制器將采集停止后未滿(mǎn)FIF0中的剩余數據發(fā)往上位機。

　　3．2 底層固件及設備驅動(dòng)

　　高速數據采集系統軟件設計分為兩部分：USB外設端的固件程序和主機操作系統上的主機應用軟件。主機應用軟件采用LabVIEW編寫(xiě)，本文主要介紹基于LabVIEW的自主開(kāi)發(fā)的USB設備簡(jiǎn)便驅動(dòng)方法。

　　3．2．1 固件程序

　　固件程序功能比較復雜，采用Keil uVsion2集成環(huán)境進(jìn)行單片機C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，完成源代碼的編寫(xiě)、仿真和調試。固件程序包括主程序Main（）、設備描述符表DSCR.A51、固件程序源碼FW.C、用戶(hù)程序Ad_control.c等部分。固件程序流程如圖4所示。

　　固件程序調試編譯成功后，將其轉換成C2文件，通過(guò)Cypress公司提供的控制面板下載至E2pROM中。當系統加電或復位時(shí)，會(huì )自動(dòng)檢查E2ROM的第1個(gè)字節，如該字節為C2，則由EWROM加載USB設備的相關(guān)信息和固件程序，進(jìn)行重枚舉。

　　3．2．2 基于LabVlEW的USB設備驅動(dòng)程序

　　客戶(hù)應用軟件在操作系統中處于用戶(hù)態(tài)，不能直接對USB設備進(jìn)行操作。通常是采用DDK直接編寫(xiě)

　　驅動(dòng)程序，也可用DriverStudio或windriver產(chǎn)生驅動(dòng)程序框架，再添加自己的代碼，編譯出驅動(dòng)程序。雖然LabVIEW與NI公司的硬件接口編程非常方便，但對于自主開(kāi)發(fā)的USB設備，并不具有通用性。用戶(hù)不僅要設計驅動(dòng)程序，還要在此基礎上編寫(xiě)USB.DLL，用于LabVIEW與USB接口。VISA通用的儀器驅動(dòng)軟件結構是VPP（VXIPlagPlay）聯(lián)盟制定的新一代儀器I／O標準，具有與儀器接口和具體計算機無(wú)關(guān)的特性，特別是VISA3.0的推出，提供了自主開(kāi)發(fā)或第三方USB設備在LabVIEW中的簡(jiǎn)便驅動(dòng)方法。

　　本文利用NI-VISA3.3，直接調用驅動(dòng)開(kāi)發(fā)向導（Driver Development Wizard），根據設備的PID、VID以及生成廠(chǎng)家、產(chǎn)品名稱(chēng)等重要參數生成inf文件。安裝此文件后調用MAX（MeasurementAutomation Explore）即可以看到設備安裝成功。

　　在實(shí)際操作過(guò)程中，需特別注意在安裝VISA生成的驅動(dòng)程序時(shí)，不能安排設備的Windows驅動(dòng)程序，否則LABVIEW無(wú)法正常調用VISA開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)程序．發(fā)現不了USB設備。

　　4 實(shí)驗與分析

　　采用本文所述的采集系統對某一高頻液壓沖擊器工作時(shí)的工作壓力（1）、回油壓力（2）和沖擊活塞運動(dòng)速度（3）進(jìn)行了現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據采集，如圖6所示，其最高采集頻率為28.6kHz。采集數據準確反映了研究對象的狀態(tài)，完全滿(mǎn)足設計目標需要。

　　基于項目的需要，選用的A/D芯片（AD574）其采集頻率為28kHz，如欲進(jìn)行更高速率的數據采集，只需更改A/D轉換芯片部分的硬件電路和CPLD與A／D轉換相關(guān)的程序。由于系統采用了數據流驅動(dòng)多模塊并行技術(shù)，在成本增加不多的情況下達到了非常高的采集和傳輸速率。從理論上分析，如果A／D轉換芯片選擇適當，系統采集頻率可以達到1OMHz。

　　本文提出的液壓系統數據采集方案，利用廉價(jià)的單片機FX2+CPLD，采用數據流驅動(dòng)多模塊并行體系結構和USB接口，以取代DSP為主控芯片進(jìn)行高速、實(shí)時(shí)同步液壓數據采集，可以方便地移植于其他高速數據采集系統中，且成本低，可靠性高。同時(shí)，提出了自主開(kāi)發(fā)的USB設備在LabVIEW中的簡(jiǎn)便驅動(dòng)方法。