摘 要： 針對復雜液壓系統數據采集" title="數據采集">數據采集的特點，采用數據流驅動" title="數據流驅動">數據流驅動多模塊并行" title="多模塊并行">多模塊并行技術和USB2.0" title="USB2.0">USB2.0接口，設計了基于CPLD" title="CPLD">CPLD＋FX2的高速便攜式數據采集系統，同時給出了自主開發的USB設備在LABVIEW" title="LABVIEW">LABVIEW中的簡便驅動方法。實踐表明，該方案大大提高了系統的采集、傳輸速率，具有電路設計簡單、可靠性高和易移植等特點。
關鍵詞： CPLD 數據流驅動 多模塊并行 USB2.0 LABVIEW 數據采集
液壓系統具有結構輕小、傳動比大、運行平穩、易于實現無級調速和自動化等優點, 已被廣泛應用于工業生產的各個領域。但液壓傳動系統(特別是大型液壓系統) 也存在一些缺點, 主要是結構復雜、其內部狀態難以檢測, 給液壓系統的狀態監測和日常維護帶來一定的困難。因此如何提取系統的特征信號，有效地對液壓系統進行狀態監測,及時發現故障和隱患, 有著十分重要的工程意義。
目前國內專門針對液壓系統的數據采集產品比較少，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，采用了數據流驅動多模塊并行技術和USB2.0接口。實踐證明，該方案結構簡單，成本低廉，實時同步采集和傳輸速度相當于DSP系列的數據采集產品。
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，必須使用如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 FIFO的單片機CY7C68013(FX2)，其USB數據發送部分可獨立自動執行。選用Altera公司的CPLD器件EPM7128，采用VerilogHDL語言編程，設計模/數轉換、數據緩存集成控制電路。并采用數據流驅動多模塊并行技術，當模塊執行所需的數據滿足條件時立即執行，三種模塊可并行執行，如圖1(b)所示，從而可通過低主頻CPU來控制高速數據采集。
上位機軟件采用美國國家儀器公司的LabVIEW語言編寫。基于圖形化編程的G語言使得上位機軟件的開發效率大大提高。特別是其NI-VISA3.0(Virtual Instrumentation Software Architecture)控件的推出，可以通過調用其標準化面向具體功能的、通用儀器的API(Application Programmer Interface)驅動接口實現自主開發的USB設備的驅動。
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、溫度以及振動頻率等模擬量通過傳感器變換為電信號后，經放大、緩沖、濾波等調理電路處理后，由模擬開關電路選擇后送A/D芯片(AD574)轉換成數字信號，并寫入FX2內置的FIFO，由內部集成的USB控制器自動發往上位機，完成數據采集。CPLD控制器除控制模擬開關電路和ADC(模/數轉換電路)外，還控制將采集得到的數據寫入FX2的FIFO。控制器設計采用數據流驅動多模塊并行技術，以提高控制電路的執行效率。系統固件程序燒錄于E2PROM中，通電或復位時，FX2自動加載。系統配備了直流電源，以滿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控制兩個模塊，A/D采集控制模塊包括通道選擇、轉換時序發生和轉換狀態檢測等部分，FIFO控制模塊實現FIFO的寫時序控制。FIFO寫控制模塊采用轉換數據為觸發條件，當A/D轉換完成并把數據送到總線時，發出寫FIFO觸發脈沖，FIFO寫控制模塊將總線數據寫入FIFO；A/D采集控制模塊則以自身的采集數據狀態和FIFO寫完成作為執行條件。兩個模塊在單片機控制下并行執行，與此同時，當FIFO寫滿，智能USB控制器將FIFO內的數據發往上位機，實現了低主頻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，通過R/C腳進行轉換和讀取控制，同時需要監控STATUS腳，在A/D芯片轉換完畢后將12位轉換數據并行輸出到總線，同時輸出寫FIFO觸發脈沖。圖3所示為ADC控制器流程圖，據此可設計相應的VerilogHDL程序。
3.1.2 FIFO控制模塊
CY68013除自帶USB2.0控制器外，還有一個4K×8b的FIFO，共分成4個端點，端點大小和緩沖層次可編程設置。本文設置成SLAVE FIFO工作模式，兩個上傳FIFO片(端點)。通過SLWR控制總線上的數據寫入FIFO。當數據寫滿一片FIFO時，FIFO控制模塊切換地址，以避免數據丟失，保證轉換、發送的連續性。寫滿數據的端點由USB控制器自動發送。
如果在采集過程中FIFO控制器接到停止采集命令后，FIFO控制模塊產生PKTEND信號，指示USB控制器將采集停止后未滿FIFO中的剩余數據發往上位機。
3.2 底層固件及設備驅動
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，本文主要介紹基于LabVIEW的自主開發的USB設備簡便驅動方法。
3.2.1 固件程序
固件程序功能比較復雜，采用Keil uVsion2集成環境進行單片機C語言開發，完成源代碼的編寫、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Cypress公司提供的控制面板下載至E2PROM中。當系統加電或復位時，會自動檢查E2PROM的第1個字節，如該字節為C2，則由E2PROM加載USB設備的相關信息和固件程序，進行重枚舉。
3.2.2 基于LabVIEW的USB設備驅動程序
客戶應用軟件在操作系統中處于用戶態，不能直接對USB設備進行操作。通常是采用DDK直接編寫驅動程序，也可用DriverStudio或windriver產生驅動程序框架，再添加自己的代碼，編譯出驅動程序。雖然LabVIEW與NI公司的硬件接口編程非常方便，但對于自主開發的USB設備，并不具有通用性。用戶不僅要設計驅動程序，還要在此基礎上編寫USB.DLL，用于LabVIEW與USB接口。VISA通用的儀器驅動軟件結構是VPP(VXI Plug&Play)聯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關的特性，特別是VISA3.0的推出，提供了自主開發或第三方USB設備在LabVIEW中的簡便驅動方法。
本文利用NI-VISA3.3，直接調用驅動開發向導(Driver Development Wizard)，根據設備的PID、VID以及生成廠家、產品名稱等重要參數生成inf文件。安裝此文件后調用MAX(Measurement&Automation Explore)即可以看到設備安裝成功，如圖5所示。
在實際操作過程中，需特別注意在安裝VISA生成的驅動程序時，不能安排設備的Windows驅動程序，否則LABVIEW無法正常調用VISA開發的驅動程序，發現不了USB設備。
4 實驗與分析
采用本文所述的采集系統對某一高頻液壓沖擊器工作時的工作壓力(1)、回油壓力(2)和沖擊活塞運動速度(3)進行了現場實時數據采集，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，完全滿足設計目標需要。
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轉換相關的程序。由于系統采用了數據流驅動多模塊并行技術，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10MHz。
本文提出的液壓系統數據采集方案，利用廉價的單片機FX2＋CPLD，采用數據流驅動多模塊并行體系結構和USB接口，以取代DSP為主控芯片進行高速、實時同步液壓數據采集，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，提出了自主開發的USB設備在LabVIEW中的簡便驅動方法。
參考文獻
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