摘　要： 針對(duì)復(fù)雜液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)多模塊并行技術(shù)和USB2.0接口，設(shè)計(jì)了基于CPLD＋FX2的高速便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)給出了自主開(kāi)發(fā)的USB設(shè)備在LABVIEW中的簡(jiǎn)便驅(qū)動(dòng)方法。實(shí)踐表明，該方案大大提高了系統(tǒng)的采集、傳輸速率，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高和易移植等特點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞： CPLD 數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng) 多模塊并行 USB2.0 LABVIEW 數(shù)據(jù)采集

　　液壓系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)輕小、傳動(dòng)比大、運(yùn)行平穩(wěn)、易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn), 已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。但液壓傳動(dòng)系統(tǒng)(特別是大型液壓系統(tǒng)) 也存在一些缺點(diǎn), 主要是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、其內(nèi)部狀態(tài)難以檢測(cè), 給液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和日常維護(hù)帶來(lái)一定的困難。因此如何提取系統(tǒng)的特征信號(hào)，有效地對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和隱患, 有著十分重要的工程意義。
　　目前國(guó)內(nèi)專(zhuān)門(mén)針對(duì)液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品比較少，而且存在諸如采集參數(shù)選擇不當(dāng)或不夠、采集速率偏低、未能準(zhǔn)確反映液壓系統(tǒng)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(shè)計(jì)了一種基于CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)＋FX2(單片機(jī)CY7C68013)的便攜式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)多模塊并行技術(shù)和USB2.0接口。實(shí)踐證明，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)時(shí)同步采集和傳輸速度相當(dāng)于DSP系列的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。
1 設(shè)計(jì)思路
　　數(shù)據(jù)采集包括采集量到電參量的轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)發(fā)送等幾部分。一般采用主控芯片直接控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)發(fā)送等模塊順序執(zhí)行的方式，如圖1(a)所示。要達(dá)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(tǒng)成本和軟、硬件的調(diào)試難度。

　　本設(shè)計(jì)選用Cypress公司帶智能USB接口引擎和4K FIFO的單片機(jī)CY7C68013(FX2)，其USB數(shù)據(jù)發(fā)送部分可獨(dú)立自動(dòng)執(zhí)行。選用Altera公司的CPLD器件EPM7128，采用VerilogHDL語(yǔ)言編程，設(shè)計(jì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩存集成控制電路。并采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)多模塊并行技術(shù)，當(dāng)模塊執(zhí)行所需的數(shù)據(jù)滿足條件時(shí)立即執(zhí)行，三種模塊可并行執(zhí)行，如圖1(b)所示，從而可通過(guò)低主頻CPU來(lái)控制高速數(shù)據(jù)采集。
　　上位機(jī)軟件采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW語(yǔ)言編寫(xiě)。基于圖形化編程的G語(yǔ)言使得上位機(jī)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 Architecture)控件的推出，可以通過(guò)調(diào)用其標(biāo)準(zhǔn)化面向具體功能的、通用儀器的API(Application Programmer Interface)驅(qū)動(dòng)接口實(shí)現(xiàn)自主開(kāi)發(fā)的USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。
2 硬件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)硬件配置如圖2所示。液壓系統(tǒng)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(hào)后，經(jīng)放大、緩沖、濾波等調(diào)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并寫(xiě)入FX2內(nèi)置的FIFO，由內(nèi)部集成的USB控制器自動(dòng)發(fā)往上位機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集。CPLD控制器除控制模擬開(kāi)關(guān)電路和ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路)外，還控制將采集得到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FX2的FIFO?？刂破髟O(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)多模塊并行技術(shù)，以提高控制電路的執(zhí)行效率。系統(tǒng)固件程序燒錄于E²PROM中，通電或復(fù)位時(shí)，F(xiàn)X2自動(dòng)加載。系統(tǒng)配備了直流電源，以滿足室外便攜采集的需要。

3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 CPLD程序設(shè)計(jì)
　　CPLD內(nèi)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(zhuǎn)換時(shí)序發(fā)生和轉(zhuǎn)換狀態(tài)檢測(cè)等部分，F(xiàn)IFO控制模塊實(shí)現(xiàn)FIFO的寫(xiě)時(shí)序控制。FIFO寫(xiě)控制模塊采用轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為觸發(fā)條件，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成并把數(shù)據(jù)送到總線時(shí)，發(fā)出寫(xiě)FIFO觸發(fā)脈沖，F(xiàn)IFO寫(xiě)控制模塊將總線數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO；A/D采集控制模塊則以自身的采集數(shù)據(jù)狀態(tài)和FIFO寫(xiě)完成作為執(zhí)行條件。兩個(gè)模塊在單片機(jī)控制下并行執(zhí)行，與此同時(shí)，當(dāng)FIFO寫(xiě)滿，智能USB控制器將FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)往上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了低主頻CPU控制高速同步數(shù)據(jù)的采集和傳輸。由于USB控制器的傳輸率可高達(dá)480Mbps，采用兩片F(xiàn)IFO緩沖，采集頻率低于10MHz則可避免因USB傳輸丟失數(shù)據(jù)。
3.1.1 A/D采集控制模塊
　　AD574獨(dú)立操作模式(stand alone)工作時(shí)，通過(guò)R/C腳進(jìn)行轉(zhuǎn)換和讀取控制，同時(shí)需要監(jiān)控STATUS腳，在A/D芯片轉(zhuǎn)換完畢后將12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并行輸出到總線，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(jù)此可設(shè)計(jì)相應(yīng)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(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(shè)置。本文設(shè)置成SLAVE　FIFO工作模式，兩個(gè)上傳FIFO片(端點(diǎn))。通過(guò)SLWR控制總線上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO。當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)滿一片F(xiàn)IFO時(shí)，F(xiàn)IFO控制模塊切換地址，以避免數(shù)據(jù)丟失，保證轉(zhuǎn)換、發(fā)送的連續(xù)性。寫(xiě)滿數(shù)據(jù)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，F(xiàn)IFO控制模塊產(chǎn)生PKTEND信號(hào)，指示USB控制器將采集停止后未滿FIFO中的剩余數(shù)據(jù)發(fā)往上位機(jī)。
3.2 底層固件及設(shè)備驅(qū)動(dòng)
　　高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩部分：USB外設(shè)端的固件程序和主機(jī)操作系統(tǒng)上的主機(jī)應(yīng)用軟件。主機(jī)應(yīng)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(shè)備簡(jiǎn)便驅(qū)動(dòng)方法。
3.2.1 固件程序
　　固件程序功能比較復(fù)雜，采用Keil uVsion2集成環(huán)境進(jìn)行單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，完成源代碼的編寫(xiě)、仿真和調(diào)試。固件程序包括主程序Main()、設(shè)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(diào)試編譯成功后，將其轉(zhuǎn)換成C2文件，通過(guò)Cypress公司提供的控制面板下載至E²PROM中。當(dāng)系統(tǒng)加電或復(fù)位時(shí)，會(huì)自動(dòng)檢查E²PROM的第1個(gè)字節(jié)，如該字節(jié)為C2，則由E²PROM加載USB設(shè)備的相關(guān)信息和固件程序，進(jìn)行重枚舉。
3.2.2 基于LabVIEW的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
　　客戶(hù)應(yīng)用軟件在操作系統(tǒng)中處于用戶(hù)態(tài)，不能直接對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行操作。通常是采用DDK直接編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，也可用DriverStudio或windriver產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)程序框架，再添加自己的代碼，編譯出驅(qū)動(dòng)程序。雖然LabVIEW與NI公司的硬件接口編程非常方便，但對(duì)于自主開(kāi)發(fā)的USB設(shè)備，并不具有通用性。用戶(hù)不僅要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，還要在此基礎(chǔ)上編寫(xiě)USB.DLL，用于LabVIEW與USB接口。VISA通用的儀器驅(qū)動(dòng)軟件結(jié)構(gòu)是VPP(VXI　Plug&Play)聯(lián)盟制定的新一代儀器I/O標(biāo)準(zhǔn)，具有與儀器接口和具體計(jì)算機(jī)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(shè)備在LabVIEW中的簡(jiǎn)便驅(qū)動(dòng)方法。
　　本文利用NI-VISA3.3，直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)向?qū)?Driver Development Wizard)，根據(jù)設(shè)備的PID、VID以及生成廠家、產(chǎn)品名稱(chēng)等重要參數(shù)生成inf文件。安裝此文件后調(diào)用MAX(Measurement&Automation Explore)即可以看到設(shè)備安裝成功，如圖5所示。
　　在實(shí)際操作過(guò)程中，需特別注意在安裝VISA生成的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，不能安排設(shè)備的Windows驅(qū)動(dòng)程序，否則LABVIEW無(wú)法正常調(diào)用VISA開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序，發(fā)現(xiàn)不了USB設(shè)備。

4 實(shí)驗(yàn)與分析
　　采用本文所述的采集系統(tǒng)對(duì)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(yùn)動(dòng)速度(3)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，如圖6所示，其最高采集頻率為28.6kHz。采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映了研究對(duì)象的狀態(tài)，完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)需要。
　　基于項(xiàng)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(shù)據(jù)采集，只需更改A/D轉(zhuǎn)換芯片部分的硬件電路和CPLD與A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的程序。由于系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)多模塊并行技術(shù)，在成本增加不多的情況下達(dá)到了非常高的采集和傳輸速率。從理論上分析，如果A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇適當(dāng)，系統(tǒng)采集頻率可以達(dá)到10MHz。
　　本文提出的液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案，利用廉價(jià)的單片機(jī)FX2＋CPLD，采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)多模塊并行體系結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集，可以方便地移植于其他高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，且成本低，可靠性高。同時(shí)，提出了自主開(kāi)發(fā)的USB設(shè)備在LabVIEW中的簡(jiǎn)便驅(qū)動(dòng)方法。
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