一種基于CPLD和USB接口的數據采集卡設計

本文設計了一種基于CPLD和USB接口的通用數據采集卡，采用AD7606芯片進行數據采集，以CPLD作為主控芯片，通過CY7C68013A芯片與計算機完成USB通信，實現數據傳輸，上位機程序采用LabVIEW軟件進行開發。

【關鍵詞】AD7606 CPLD USB接口 數據采集卡 LabVIEW

1 前言

數據采集系統一般由由傳感器、數據采集卡和帶有可編程軟件的計算機組成。基于計算機的數據采集系統利用行業標準計算機的處理、顯示和連通能力，能夠靈活方便且低成本地實現滿足用戶需要測量方案。數據采集卡就是實現數據采集功能的計算機擴展卡，數據采集卡接口種類有很多，例如PCI、ISA、PXI、RS-232等。這些都屬于傳統接口，體積較大，不支持熱插拔，缺點比較明顯。USB接口能夠完美解決上述問題，因此本文采用USB接口設計數據采集卡。

2 系統硬件設計

本文所設計的USB數據采集卡主要包括以下模塊：A/D模塊、主控模塊和USB模塊。A/D模塊主要負責采集信號，然后將信號發送給主控模塊。主控模塊主要負責控制A/D模塊的A/D芯片完成采集，然后將數據寫入到USB芯片的FIFO緩存區中。USB模塊主要負責與計算機進行通信，當FIFO緩存區滿時，將數據發送給計算機。如圖1所示為USB數據采集卡的系統框圖。

3 系統模塊介紹

3.1 A/D模塊

USB數據采集卡的A/D模塊采用的是AD7606芯片，AD7606是ADI公司推出的8通道數據采集系統（DAS），該芯片具有16位分辨率，采樣頻率達到200K，通過5V單電源進行供電，可以采集±10V或±5V的輸入信號，具有片內過壓保護功能。AD7606具有片內濾波和高輸入阻抗，因此無需驅動運算放大器和外部雙極性電源，可簡化電路設計。

3.2 主控模塊

USB數據采集卡的主控模塊采用的是EPM1270芯片，EPM1270芯片是Altera公司MAX II系列的CPLD芯片，CPLD是復雜可編程邏輯器件的簡稱，傳統的CPLD是由PAL、GAL器件發展而來。EPM1270采用FLASH工藝，不需要外部存儲器芯片，程序能夠直接保存在芯片中，不需要外接芯片，擁有1270個邏輯單元，只要構建好簡單的下載、復位以及晶振電路即可使用，簡單方便，采用3.3V電源供電。

3.3 USB模塊

本USB數據采集卡的USB模塊采用的就是是CY7C68013A芯片，CY68013A芯片是一款高集成、低功耗的USB2.0微控制器，其內部主要包括USB2.0收發器、串行接口引擎（SIE）、增強型8051內核、16KB的RAM、4KB的FIFO存儲器、I/O接口、數據總線、地址總線和通用可編程接口（GPIF）。其串行接口引擎（SIE）負責完成串行數據的解碼、差錯控制、位填充等與USB協議有關的功能。串行接口引擎（SIE）能夠實現大部分的功能，從而減輕了嵌入式增強型8051的負擔，簡化了USB固件程序的開發，使開發者不需要去深入了解USB協議的內容，也能實現USB接口的設計。

4 軟件設計

USB數據采集卡的軟件設計包括兩個部分：固件程序和上位機程序。固件程序包括CPLD芯片的固件程序和USB芯片的固件程序。上位機程序包括USB數據采集卡驅動程序和LabVIEW上位機程序。

CPLD芯片內部的固件程序分為兩個子程序：A/D采集程序和數據傳輸程序。A/D采集程序主要用來控制AD7606芯片，CPLD芯片從AD7606讀取到數據后，需要將數據寫入CY7C68013A芯片的FIFO緩存區內，這一過程由數據傳輸程序完成。要實現數據傳輸首先需要對CY7C68013A芯片的固件程序進行開發，將該芯片配置為Slave FIFO模式。

USB數據采集卡的驅動程序采用的設計方法是通過NI-VISA的Driver Wizard工具為數據采集卡創建驅動程序，簡單方便。LabVIEW上位機程序通過前面板的“VISA resource name”控件選取USB數據采集卡，然后通過“VISA Open”函數打開USB數據采集卡，打開之后通過“VISA Read”函數讀取計算機緩存區中的數據，然后通過格式轉換和數據處理得到電感傳感器的位移值。

5 總結

本文設計了一種基于CPLD和USB接口的數據采集卡，詳細介紹了各模塊的組成，以及上位機軟件的設計。該設計能夠降低數據采集系統的硬件成本，具有很大的實用價值。

參考文獻

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[3]楊波，劉延波.具有USB2.0接口的高速數據采集卡設計[J].單片機及嵌入式系統應用，2004.

作者簡介

黨連春（1990-），男，安徽省天長市人。現為合肥工業大學碩士研究生在讀學生。研究方向為現代精度理論及其應用。

作者單位

合肥工業大學儀器科學與光電工程學院 安徽省合肥市 230009