基于CY7C68013与FPGA的便携式数据采集系统

JournalofComputerApplications 计算机应用。2012．32(SI)：164—166 ISSN1001．9∞l CODENJYIIDU 2012·07．．10 http：／／www．j啷．cn 文章编号：1001—9081(2012)S1—0164—03 基于CY7C68013与FPGA的便携式数据采集系统 吴磊，郭超平’，申世涛 (北方工业大学信息工程学院，北京100144) (·通信作者电子邮箱弘mhping@126．m) 擒耍：从系统总体结构设计、硬件设计和软件设计三个方面阐述了基于CY7C68013和FPGA的多通道数据采 集与处理系统的设计方法。 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 采用FPGA实现了A／D转换芯片的控制、数据读写、对CY7C68013内部FIFO的读写 控制以及信号的逻辑处理。通过调用USB驱动程序，电解槽应用程序实现了数据的处理、昱示和存储。分析与测试 结果表明，本系统是一种通用性很强的数据采集系统，符合-cA生产控制的需要。 关键词：CY7C68013；USB；FPGA；数据采集 中图分类号：1P2”．2文献标志码：A PortabledataacquisitionsystembasedonCY7C68013andFPGA WULei，GUOChao—ping’，SHENShi-tao (Co／／ege矿in／ormat／onb曲m帕辑North‰Un／een／tyo／死幽咖，&拼昭100144．‰) Abstract：ThepaperehlⅪratedthedeei印ofmu]ti-channddataacquisitionandpree．№in$systembaeed帆CY7C68013 andFPGAfromthreeaspects，thearchitecture0fthesystem，thed曙i印0ftheha／dwaLreandthedesignof耐‰．The FPGAWSSadoptedtorealizethecontroldtheA／Dconverter,theinputandoutputofdata,thecommunicationwithUSB imeffacechipCY7C68013andthep嗍ingoflogicalsixth．Theapplicationrealkedthedam'sproe咖．displayand storageviatheUSBdrivers．TheresultofaIl8lyzingandtestingdemonstratesthatthesystemwhichisaversatiledata acquisitionsatidlesindustrialproduction． Keywords：CY7C68013；USB；FPGA；dataacquisition 0 引言 随着人民生活水平的提高，社会对铝产品的需求不断增 加，所需要的铝电解厂也相应扩充，导致能源的消耗更为突 出。于是，铝电解行业实行更为广泛的工业控制自动化成为 必然。在电解铝的过程中，温度是一个至关重要的因素。有 效控制电解槽的温度，可以极大地降低能耗，节约成本。因 此，通过采集电解槽的温度并计算出相应的初晶温度，然后根 据此初晶温度来调节槽温，既可有效减少成本，又不会降低产 量。 传统方式采用的是离线式缓慢降温的检测方法，此方法 周期较长、工序繁琐、实时性差，不能满足工厂生产实时性控 制的需要，于是快速有效的在线式检测技术应运而生。 现有数据采集板常用单片机或者DSP作为主控芯片，采 用普通单片机控制，运行速度不够高，成为了数据通道上的瓶 颈，使得AD芯片的性能无法全部发挥；尽管采用DSP芯片控 制速度很快，但是性价比不如采用FIK；A进行控制。后者只 要使用简单FPGA编程．就可以实现数据采集板上各模块的 控制，节省了开发时间和费用，也满足了系统功能要求⋯。 同时，本文方案引入了USB总线技术，解决了数据采集板通 用性差、传输速率低的弊病，使得采集板可以连接不同架构以 及不同平台的处理器，扩大了采集板的适用范围。 1 系统 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 铝电解槽槽温检测系统总体结构如图1所示，系统结构 主要由数据采集板和嵌入式处理器组成。 穹 X匝矾X目 —10寸l斟暨 ADS SPARTANUSB2．0 —l墨竖星13E 驱动芯片e辛 0～IAP．同 附黔 1274 3530 广1垦堡lFPGA CY70∞013 XC3S250E 目网 数据采集板 图1系统总体结构 数据采集板前端有两路信号输入：一路是前端热电偶将 铝电解槽的温度信号转换为毫伏级的电压信号，再经过调理 放大电路的处理传送给模数转换电路并转换为数字信号，接 着此数字信号送入Flea进行处理，处理之后的数据通过 USB控制芯片传送给嵌入式微处理器。本系统采用的微处理 器是1fI公司的OMAF3530处理器，处理器内核是ARM CORTEXA8。主频达到600MHz，满足工业设备要求快速的需 求。微处理器将获得的数据通过系统上运行的应用程序绘制 收稿日期：2011．10．18。基金项目：国家科技支捧 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(20098AgSSB00)。 作者简介：吴磊(1963一)，男，北京人。教授，主要研究方向：嵌入式技术；郭超平(1986一)，男，江西吉安人．硕士研究生。主要研究方向l 嵌入式技术；申世涛(1985一)。男，山东菏泽人。硬士研究生，主要研究方向：嵌入式技术。 万方数据 增刊1 吴磊等：基于CY7C68013与FPC．A的便携式数据采集系统 165 出温度曲线，并计算出初晶温度，同时将数据存储到sD卡； 另一路是电池的电压信号，经过调理放大电路和AID转换电 路传送给微处理器．然后经过软件设定的算法进行计算，以图 形化的方式显示出当前电池的余量，以方便用户的使用。 2系统硬件设计 系统硬件电路主要包括A／D转换电路、FPC．A控制核心 板以及外围电路，以及USB2．0控制电路三部分。 2．1 A／D转换电路设计 多通道A／D转换芯片采用11公司推出的24位工业模数 转换器ADSl274，可以同时允许4通道进行同步采样，支持高 速、高精度、低功耗、低速4种工作模式，内部集成有多个独立 的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器。ADSl274转换器 具有优良的AC和Dc特性。采样率最高可以达128kS／s，带 宽为62kHz时的信噪比(SNR)可达111dB。失调漂移为 O．8小，／℃。 ADSl274可通过设置相应的输入／输出引脚选择工作模 式，无需寄存器编程，其数据输出可选帧同步或SPI申行接口 方式，以便于连接至DSP、FIW,A及微控制器。每个接口均支 持菊花链，以简化多通道计数系统中的多个ADSl274的回读 功能(readlmck)。ADSl274工作温度范围为一40℃一 +125℃，能够实现最佳DC与AC 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的高精度工业测量。 2．2 n，GA控崩电路设计 FPGA主要负责控铷ADC的时序、完成数据采集刭 FPGA内部FIFO的存储、对CY7C68013内部FIFO的读写控 制以及信号的逻辑处理。控制电路采用XILINX公司的 Spartan-3E系列FPGA芯片XC3S250E，此芯片具有成本低、静 态功耗低的特点，核心板提供了多达216Kb的RAM、172个 用户I／O口以及超过5000个逻辑单元；其内部的OCM(数字 时钟模块)可以保证ADC与FPC．A的时钟同步，解决延迟引 起的数据传输错误等问题。FPGA的配置芯片采用XCF02S， 工作时钟由外部48Mm晶振提供。 为了保证数据采集与存储的连续性，并且最大限度地利 用FPGA资源，利用)(ili弧ISE的COREGenerator在FlAG内 部构建一个16xlKB的FIFO存储器，解决了数据写入FiW,A 和读出时的速率不一致的问题。不仅如此，FIW,A内部的 FIFO存储器还很好地解决USB总线复用的问题【2】。系统工 作时，微处理器既接收数据，也需要传送控制命令给FPGA， 因此必须分时复用USB总线。当从AD转换来的数字信号写 入FPGA内部FIFO中时，徽处理器可以下发所执行的命令， 命令产生的数据量很小，下传时间短，完成后，系统挂起状 态‘“o 2．3 USB2．0控制电路设计 为满足数据采集系统传输速度的需要，系统选择内置 USB接口的徼控制芯片EZ·USBFX2系列CY7C68013-56，此 芯片支持全速传输(12Mbps)和高速传输(480Mbp6)功能。 USB2．0收发器、串行接口引擎SIE、增强的8051内核和GPIF 等集成于一体，内部含4J∞的端点缓冲区FIFO可以被配置 为具有不同大小缓冲区的输入或输出端点(EP2、EP4、EP6、 E璐)。USB控制器具有USB协议规定的4种传输方式，即控 制方式、中断方式、批量传输和同步传输方式。cYP耻蹬公 司为FX2提供了完善的软件开发工具包，从而降低了开发难 度，加快了开发进度。 FX2可以工作在3种不同的模式下完成USB数据的传 输，即GPIF模式、Ports模式和SlaveFIFO模式。‰eFIFO 是从机方式，FIW,A可像操作普通FIFO一样对FX2的多层缓 冲区FIFO进行读写【．】。FX2内部的FIFO提供所需的时序 信号、握手信号、读／写信号和输出允许信号。 在FX2的SlaveFIFO模式下，FIFOADR[1：0]引脚作为 地址线选择某个端点，SLCS相当于片选信号，SLWR(写)、 SLRD(读)、SLOE(输出使能)分别与FP(；A的IO引脚相连。 FX2的三个标志引脚(FLAGA、FLAGB、FLAG(：：)通过固件程 序的配置可以反映FX2各端点FIFO的使用情况，FIW,A通过 对这三个引脚的监控来捕获当前的USB通信的状态。 3系统软件设计 系统软件由FPC．A程序、CY7C68013固件程序、USB驱动 程序和嵌入式操作系统上的应用程序4个部分组成。 3．1 FlAG程序设计 FPGA程序在XilimISEll．1软件环境中用Verilo$HDL 语言编写，分为ADSl274控制以及数据读取模块、数字时钟 管理(DCM)模块以及对FX2内部nF0的读写控制模块。 ADSl274的正常工作所需的信号如图2(a)所示。0y尬是 ADSl274的同步信号，控制AD的转换数据起始，是使能信 号；dk．Sm为数据的转换时钟信号，本方案采用的是低速模 式，选择时钟为5MHz；妣—巧m为FlGA对AD的数据读取 时钟信号，当时钟处于下降沿时，将数据读入到FPGA中； drdy为AD数据就绪提示信号，在SPI模式下，当信号处于下 降沿时表示数据转换结束，此时通知FPC．A读取效据，控制时 序如图2(b)所示。add山为AD采集到的电池和热电偶信 号，mt_n为AD模块复位信号，dk_50M为FPC,A的工作时钟， 实际采用铝Mltz；adelk为中断时钟信号，AD采集完一次电 压信号后，给ad．．elk一个下降沿，用于AD转换器将采集的效 据进行存储。 SCLK DOUTl D0m DRDY SYNC (丑)ADsl274控制模块图(b)5PI11啪增E式时序图 图2 ADSl274控制时序 效据读取模块实现将AD采集到的数据读入FPGA内部 FIFO的功能，DcM管理分配AD的工作时钟，保证整体系统 各个工作时钟的一致性。FX2内部FIFO读写模块负责取出 FlGA内部FIFO中的数据并打包送入CY7C68013中，以便徽 处理器读取。 3．2 CY'／C68013固件程序 CYTC68013A芯片的固件程序运行在芯片内部CPU中。 负责设备的初始化，处理徽处理器发来的各种USB设备请 求，并完成FPGA与微处理器之间的数据传输。cⅥ·髓鹋公 司为简化程序的编写并缩减开发周期，为开发者提供了固件 兰 万方数据 166 计算机应用 2012生 程序开发框架。用户只需在这些框架文件的函数里添加自己 的程序代码，就可以实现所需的特定功能。在固件程序中， 最重要的两个函数是TD—Init()和TD_PoH()。TD—Init() 在FX2重枚举和任务分配前被调用，用来初始化各端口及 相应的FIFO缓冲区。TD_P01l()是数据采集的执行程序，处 在主函数的while()循环中。该函数包含完成特殊任务的代 码，设备运行时将被重复调用⋯。固件程序编写好后固化到 1片E2PROM中，外设加电后由FX2通过12C总线下载到片 内RAM中自动执行。 3．3USB驱动程序 CYPRESSFX2开发包中提供了通用的驱动程序。通用 驱动程序完成与外设和用户应用程序的通信和控制，微处理 器根据新的设置安装通用驱动程序，重新枚举外设为一个新 的USB设备”1。 3．4系统应用程序设计 微处理器与设备一般通过主从方式进行数据通信。微处 理器上的应用程序向设备发送命令数据包，设备接收到数据 后执行命令并向微处理器传送数据，应用程序对接收到的数 据进行相应的处理。应用程序通过通用驱动程序来完成对设 备的控制和通信，首先调用Win32函数CremFile()得到设备 驱动程序的句柄，然后调用Win32函数DeviceloControl()通 过得到的句柄，把IOCTL和相关的输入输出缓冲区提交给驱 动程序，最后应用程序退出时，调用CloseHandle()关闭设备。 系统应用程序的测试流程如图3所示。 图3系统应用程序测试流程 4实验与测试结果 本系统中的应用程序是用VisualStudio2005基于 WindowsCE系统平台开发的，可以实时读取热电偶传送来的 电压数据，并图形显示出电解槽的温度变化曲线。根据曲线 测量结束时立刻计算显示出境温度， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 保存经过计算得到 的温度数据，提供所有测量数据的查询等功能。系统程序界 面和现场测试结果如图4和图5所示。 图4为系统界面程序，是用户进入系统的起始界面。从 图5可以看出，本文采用的设计方案能够实现铝电解槽的温 度采集功能。当探测器伸入到电解槽后，探测器前端的温度 快速上升到达起始温度值后，界面便开始显示采集的温度．随 着探测器离开电解槽，探测器前端温度开始下降，当下降至终 止温度值后，界面上不显示此后的温度值，至此本次测量结 束，应用程序应用一定的算法求出初晶温度值，并在曲线上标 示出来。 I：燮．瞎篓趸篓韭璧．娃羔燮蔓釜燮J震。：麓雾萋 }‘：酬鬻j躺矧麓蹦蠹}囊_ ：!塑矧墚二ii{：·孽’叫紫⋯始⋯缵 。一崭赢葫；j蕞甍；誊孑等!磊言齑。：。姻嘲助穰—■网暖翻赫 图4应用程序主界面 图5数据历史查询界面 5 结语 本文在研究了FPGA和USB2．0技术的基础上，提出了用 于铝电解槽的数据采集系统总体设计方案，对这个系统的功 能和模块设计进行了详细的介绍和分析。本系统摒弃了传统 嵌入式系统数据地址总线的接口方式，而采用USB2．0技术． 提高数据采集板通用性。采集板不仅仅适用本系统中用到的 微处理器，也可以连接任何支持USB2．0协议的嵌入式处理 器，当然也可以和X86架构的Pc互连。经过电解铝现场的 使用也证明了利用USB总线和FPGA来设计数据采集系统 是一种行之有效的方法。 参考文献： 【1】 黄善文，王学军．基于USB和FPGA的数据采集系统设计【J】．舰 船电子工程．2010，30(9)：126—129． 【2】 ROSSc．BOHMW．UsingFIFOsinhardware—sofawareco-design forFPGAbasedembeddedsystems【C】／／Proceedingsof12thAnnu· alIEEESymposiumOilField-ProgrammableCustomCompuringMa- chines．Washington。DC：IEEEComputerSociety，2004：318— 319． 【3】 安荣．任勇峰，李圣坤．基于FPGA和USB2．0的数据采集系统 【J】．仪表技术与传感器，2009(3)：49—51． 【4】袁卫，张冬阳．摹于Veiling的Flea与USB2．0高速接口设计 【J】．电子技术应用，2009．35(I)：161—163． 【5】 钱峰．EZ—USBFX2单片机原理、编程及应用lM】．北京：北京航 空航天大学出版社．2006． 万方数据 基于CY7C68013与FPGA的便携式数据采集系统 作者： 吴磊， 郭超平， 申世涛， WU Lei， GUO Chao-ping， SHEN Shi-tao 作者单位： 北方工业大学信息工程学院,北京,100144 刊名： 计算机应用 英文刊名： Journal of Computer Applications 年，卷(期)： 2012,32(z1) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsjyy2012z1050.aspx