基于CPLD的高速数据采集系统的设计与实现

　　摘　要： 针对复杂液压系统数据采集的特点，采用数据流驱动多模块并行技术和USB2.0接口，设计了基于CPLD＋FX2的高速便携式数据采集系统，同时给出了自主开发的USB设备在LABVIEW中的简便驱动方法。实践表明，该方案大大提高了系统的采集、传输速率，具有电路设计简单、可靠性高和易移植等特点。
　　关键词： CPLD 数据流驱动 多模块并行 USB2.0 LABVIEW 数据采集

　　液压系统具有结构轻小、传动比大、运行平稳、易于实现无级调速和自动化等优点, 已被广泛应用于工业生产的各个领域。但液压传动系统(特别是大型液压系统) 也存在一些缺点, 主要是结构复杂、其内部状态难以检测, 给液压系统的状态监测和日常维护带来一定的困难。因此如何提取系统的特征信号，有效地对液压系统进行状态监测,及时发现故障和隐患, 有着十分重要的工程意义。
　　目前国内专门针对液压系统的数据采集产品比较少，而且存在诸如采集参数选择不当或不够、采集速率偏低、未能准确反映液压系统的工作状况、接口不利于安装或传输速度太慢等问题。本文设计了一种基于CPLD(复杂可编程逻辑器件)＋FX2(单片机CY7C68013)的便携式高速数据采集系统，采用了数据流驱动多模块并行技术和USB2.0接口。实践证明，该方案结构简单，成本低廉，实时同步采集和传输速度相当于DSP系列的数据采集产品。
1 设计思路
　　数据采集包括采集量到电参量的转换、信号调理、模/数转换、数据缓冲、数据发送等几部分。一般采用主控芯片直接控制模/数转换、数据缓冲、数据发送等模块顺序执行的方式，如图1(a)所示。要达到较高的采集速度，必须使用如DSP等高速主控芯片，为此而增加了系统成本和软、硬件的调试难度。

　　本设计选用Cypress公司带智能USB接口引擎和4K FIFO的单片机CY7C68013(FX2)，其USB数据发送部分可独立自动执行。选用Altera公司的CPLD器件EPM7128，采用VerilogHDL语言编程，设计模/数转换、数据缓存集成控制电路。并采用数据流驱动多模块并行技术，当模块执行所需的数据满足条件时立即执行，三种模块可并行执行，如图1(b)所示，从而可通过低主频CPU来控制高速数据采集。
　　上位机软件采用美国国家仪器公司的LabVIEW语言编写。基于图形化编程的G语言使得上位机软件的开发效率大大提高。特别是其NI-VISA3.0(Virtual Instrumentation Software Architecture)控件的推出，可以通过调用其标准化面向具体功能的、通用仪器的API(Application Programmer Interface)驱动接口实现自主开发的USB设备的驱动。
2 硬件设计
　　系统硬件配置如图2所示。液压系统中的压力、流量、温度以及振动频率等模拟量通过传感器变换为电信号后，经放大、缓冲、滤波等调理电路处理后，由模拟开关电路选择后送A/D芯片(AD574)转换成数字信号，并写入FX2内置的FIFO，由内部集成的USB控制器自动发往上位机，完成数据采集。CPLD控制器除控制模拟开关电路和ADC(模/数转换电路)外，还控制将采集得到的数据写入FX2的FIFO。控制器设计采用数据流驱动多模块并行技术，以提高控制电路的执行效率。系统固件程序烧录于E²PROM中，通电或复位时，FX2自动加载。系统配备了直流电源，以满足室外便携采集的需要。

3 软件设计
3.1 CPLD程序设计
　　CPLD内含ADC采集控制和FIFO控制两个模块，A/D采集控制模块包括通道选择、转换时序发生和转换状态检测等部分，FIFO控制模块实现FIFO的写时序控制。FIFO写控制模块采用转换数据为触发条件，当A/D转换完成并把数据送到总线时，发出写FIFO触发脉冲，FIFO写控制模块将总线数据写入FIFO；A/D采集控制模块则以自身的采集数据状态和FIFO写完成作为执行条件。两个模块在单片机控制下并行执行，与此同时，当FIFO写满，智能USB控制器将FIFO内的数据发往上位机，实现了低主频CPU控制高速同步数据的采集和传输。由于USB控制器的传输率可高达480Mbps，采用两片FIFO缓冲，采集频率低于10MHz则可避免因USB传输丢失数据。
3.1.1 A/D采集控制模块
　　AD574独立操作模式(stand alone)工作时，通过R/C脚进行转换和读取控制，同时需要监控STATUS脚，在A/D芯片转换完毕后将12位转换数据并行输出到总线，同时输出写FIFO触发脉冲。图3所示为ADC控制器流程图，据此可设计相应的VerilogHDL程序。

3.1.2 FIFO控制模块
　　CY68013除自带USB2.0控制器外，还有一个4K×8b的FIFO，共分成4个端点，端点大小和缓冲层次可编程设置。本文设置成SLAVE　FIFO工作模式，两个上传FIFO片(端点)。通过SLWR控制总线上的数据写入FIFO。当数据写满一片FIFO时，FIFO控制模块切换地址，以避免数据丢失，保证转换、发送的连续性。写满数据的端点由USB控制器自动发送。
　　如果在采集过程中FIFO控制器接到停止采集命令后，FIFO控制模块产生PKTEND信号，指示USB控制器将采集停止后未满FIFO中的剩余数据发往上位机。
3.2 底层固件及设备驱动
　　高速数据采集系统软件设计分为两部分：USB外设端的固件程序和主机操作系统上的主机应用软件。主机应用软件采用LabVIEW编写，本文主要介绍基于LabVIEW的自主开发的USB设备简便驱动方法。
3.2.1 固件程序
　　固件程序功能比较复杂，采用Keil uVsion2集成环境进行单片机C语言开发，完成源代码的编写、仿真和调试。固件程序包括主程序Main()、设备描述符表DSCR.A51、固件程序源码FW.C、用户程序Ad_control.c等部分。固件程序流程如图4所示。

　　固件程序调试编译成功后，将其转换成C2文件，通过Cypress公司提供的控制面板下载至E²PROM中。当系统加电或复位时，会自动检查E²PROM的第1个字节，如该字节为C2，则由E²PROM加载USB设备的相关信息和固件程序，进行重枚举。
3.2.2 基于LabVIEW的USB设备驱动程序
　　客户应用软件在操作系统中处于用户态，不能直接对USB设备进行操作。通常是采用DDK直接编写驱动程序，也可用DriverStudio或windriver产生驱动程序框架，再添加自己的代码，编译出驱动程序。虽然LabVIEW与NI公司的硬件接口编程非常方便，但对于自主开发的USB设备，并不具有通用性。用户不仅要设计驱动程序，还要在此基础上编写USB.DLL，用于LabVIEW与USB接口。VISA通用的仪器驱动软件结构是VPP(VXI　Plug&Play)联盟制定的新一代仪器I/O标准，具有与仪器接口和具体计算机无关的特性，特别是VISA3.0的推出，提供了自主开发或第三方USB设备在LabVIEW中的简便驱动方法。
　　本文利用NI-VISA3.3，直接调用驱动开发向导(Driver Development Wizard)，根据设备的PID、VID以及生成厂家、产品名称等重要参数生成inf文件。安装此文件后调用MAX(Measurement&Automation Explore)即可以看到设备安装成功，如图5所示。
　　在实际操作过程中，需特别注意在安装VISA生成的驱动程序时，不能安排设备的Windows驱动程序，否则LABVIEW无法正常调用VISA开发的驱动程序，发现不了USB设备。

4 实验与分析
　　采用本文所述的采集系统对某一高频液压冲击器工作时的工作压力(1)、回油压力(2)和冲击活塞运动速度(3)进行了现场实时数据采集，如图6所示，其最高采集频率为28.6kHz。采集数据准确反映了研究对象的状态，完全满足设计目标需要。
　　基于项目的需要，选用的A/D芯片(AD574)其采集频率为28kHz，如欲进行更高速率的数据采集，只需更改A/D转换芯片部分的硬件电路和CPLD与A/D转换相关的程序。由于系统采用了数据流驱动多模块并行技术，在成本增加不多的情况下达到了非常高的采集和传输速率。从理论上分析，如果A/D转换芯片选择适当，系统采集频率可以达到10MHz。
　　本文提出的液压系统数据采集方案，利用廉价的单片机FX2＋CPLD，采用数据流驱动多模块并行体系结构和USB接口，以取代DSP为主控芯片进行高速、实时同步液压数据采集，可以方便地移植于其他高速数据采集系统中，且成本低，可靠性高。同时，提出了自主开发的USB设备在LabVIEW中的简便驱动方法。
参考文献
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