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一种基于CPLD和USB接口的数据采集卡设计

2016-07-10党连春

电子技术与软件工程 2016年7期

本文设计了一种基于CPLD和USB接口的通用数据采集卡,采用AD7606芯片进行数据采集,以CPLD作为主控芯片,通过CY7C68013A芯片与计算机完成USB通信,实现数据传输,上位机程序采用LabVIEW软件进行开发。

【关键词】AD7606 CPLD USB接口 数据采集卡 LabVIEW

1 前言

数据采集系统一般由由传感器、数据采集卡和带有可编程软件的计算机组成。基于计算机的数据采集系统利用行业标准计算机的处理、显示和连通能力,能够灵活方便且低成本地实现满足用户需要测量方案。数据采集卡就是实现数据采集功能的计算机扩展卡,数据采集卡接口种类有很多,例如PCI、ISA、PXI、RS-232等。这些都属于传统接口,体积较大,不支持热插拔,缺点比较明显。USB接口能够完美解决上述问题,因此本文采用USB接口设计数据采集卡。

2 系统硬件设计

本文所设计的USB数据采集卡主要包括以下模块:A/D模块、主控模块和USB模块。A/D模块主要负责采集信号,然后将信号发送给主控模块。主控模块主要负责控制A/D模块的A/D芯片完成采集,然后将数据写入到USB芯片的FIFO缓存区中。USB模块主要负责与计算机进行通信,当FIFO缓存区满时,将数据发送给计算机。如图1所示为USB数据采集卡的系统框图。

3 系统模块介绍

3.1 A/D模块

USB数据采集卡的A/D模块采用的是AD7606芯片,AD7606是ADI公司推出的8通道数据采集系统(DAS),该芯片具有16位分辨率,采样频率达到200K,通过5V单电源进行供电,可以采集±10V或±5V的输入信号,具有片内过压保护功能。AD7606具有片内滤波和高输入阻抗,因此无需驱动运算放大器和外部双极性电源,可简化电路设计。

3.2 主控模块

USB数据采集卡的主控模块采用的是EPM1270芯片,EPM1270芯片是Altera公司MAX II系列的CPLD芯片,CPLD是复杂可编程逻辑器件的简称,传统的CPLD是由PAL、GAL器件发展而来。EPM1270采用FLASH工艺,不需要外部存储器芯片,程序能够直接保存在芯片中,不需要外接芯片,拥有1270个逻辑单元,只要构建好简单的下载、复位以及晶振电路即可使用,简单方便,采用3.3V电源供电。

3.3 USB模块

本USB数据采集卡的USB模块采用的就是是CY7C68013A芯片,CY68013A芯片是一款高集成、低功耗的USB2.0微控制器,其内部主要包括USB2.0收发器、串行接口引擎(SIE)、增强型8051内核、16KB的RAM、4KB的FIFO存储器、I/O接口、数据总线、地址总线和通用可编程接口(GPIF)。其串行接口引擎(SIE)负责完成串行数据的解码、差错控制、位填充等与USB协议有关的功能。串行接口引擎(SIE)能够实现大部分的功能,从而减轻了嵌入式增强型8051的负担,简化了USB固件程序的开发,使开发者不需要去深入了解USB协议的内容,也能实现USB接口的设计。

4 软件设计

USB数据采集卡的软件设计包括两个部分:固件程序和上位机程序。固件程序包括CPLD芯片的固件程序和USB芯片的固件程序。上位机程序包括USB数据采集卡驱动程序和LabVIEW上位机程序。

CPLD芯片内部的固件程序分为两个子程序:A/D采集程序和数据传输程序。A/D采集程序主要用来控制AD7606芯片,CPLD芯片从AD7606读取到数据后,需要将数据写入CY7C68013A芯片的FIFO缓存区内,这一过程由数据传输程序完成。要实现数据传输首先需要对CY7C68013A芯片的固件程序进行开发,将该芯片配置为Slave FIFO模式。

USB数据采集卡的驱动程序采用的设计方法是通过NI-VISA的Driver Wizard工具为数据采集卡创建驱动程序,简单方便。LabVIEW上位机程序通过前面板的“VISA resource name”控件选取USB数据采集卡,然后通过“VISA Open”函数打开USB数据采集卡,打开之后通过“VISA Read”函数读取计算机缓存区中的数据,然后通过格式转换和数据处理得到电感传感器的位移值。

5 总结

本文设计了一种基于CPLD和USB接口的数据采集卡,详细介绍了各模块的组成,以及上位机软件的设计。该设计能够降低数据采集系统的硬件成本,具有很大的实用价值。

参考文献

[1]吕洪发.基于USB2.0的胶囊内窥镜图像数据传输模块的设计[D].南京航空航天大学,2007.

[2]蔺守河.USB加密卡的硬件架构研究与设计[D].解放军信息工程大学,2006.

[3]杨波,刘延波.具有USB2.0接口的高速数据采集卡设计[J].单片机及嵌入式系统应用,2004.

作者简介

党连春(1990-),男,安徽省天长市人。现为合肥工业大学硕士研究生在读学生。研究方向为现代精度理论及其应用。

作者单位

合肥工业大学仪器科学与光电工程学院 安徽省合肥市 230009