摘　要：介绍了CPLD和USB在基于数据采集系统的虚拟仪器的应用。通过软、硬件技术的结合，实现了对多路模拟信号的采集和多种波形的输出，充分发挥了虚拟仪器的优势。该系统利用CPLD芯片及高速、高精度的ADS8364芯片和多通道的DAC7624/25芯片，开发了高速数据采集和波形发生器系统，并使用USB接口在主机中实现数据存储与显示。

关键词：虚拟仪器；CPLD；USB接口；信号采集

引言

虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己定义，具有虚拟面板，由测试软件实现测试功能的一种计算机系统。如今，大多数参数的测量都是通过电子测量仪器实现的，以电信号的形式表现出来，因此为微机进行数据采样提供了广阔的应用范围。文中介绍的一个数据采集系统，可广泛地应用于多种信号的测量。

随着现代科学技术的发展和计算机技术的普及，运用高速数据处理的场合越来越多，例如，高速数字信号处理、高速图象信息转换和语音实时处理系统等。由于这些应用场合要求运算速度快，实时性强，对CPU的要求越来越高，因此采用EMP128(CPLD)芯片作为核心处理器来完成数据的高速采集、缓冲和传输控制，使数据采集系统具有良好的灵活性和极强的实时性。高速串行口(USB)作为一种新兴的计算机外设总线标准，具有热插拔、速度快(包括低、中、高速)和外设容量大的特性，使其成为PC机的外围设备扩展中应用日益广泛的接口标准。文中设计并实现了基于CPLD芯片和USB2.0协议的USB芯片的一套高速、高精度数据采集分析系统。该系统的CPLD芯片负责系统的控制，采样结果通过USB送到计算机显示分析。计算机应用程序宜于实现丰富的图形界面，具有良好的人机接口。

图1　A/D与CPLD的接口电路

系统的主要组成部分

基于CPLD和USB的数据采集系统结构如图1所示。

A/D转换模块
该模块采用的高速、低功耗、六通道同步采样的16位模数转换器ADS8364，适用于噪声比较大的环境。每个输入端的ADCs保持信号用来保证几个通道能同时进行采样和转换，可以对单极性或双极性输入电压进行A/D转换。文中采用双极性输入方式，输入电压可以在±2.5，±5，±10V范围内。当ADS8364采用5MHz的外部时钟来控制转换时，它的采样率是250kHz，采样和转换可以在20个时钟周期内完成。地址/模式信号(A0，A1，A2)决定ADS8364的数据读取方式，可以选择单通道、周期或FIFO 模式。CPLD对A/D转换进行控制，并将转换结果送入SRAM进行缓存。A/D与CPLD的接口电路如图1所示。

波形发生模块
波形发生器是将存储在主机中的波形数据通过USB接口送入RAM进行缓存，再通过CPLD对D/A进行控制，产生所要求的波形。系统采用DAC7624/25芯片，其建立时间为10μs，功耗为20mW，分辨率为12Bit。4路模拟输出的D/A转换器，可以采用单电源或双电源的接法。输出电压为-2.5～+2.5V。

USB芯片
通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是一种通用串行总线系统。FX2是第一个支持USB2.0同时向下兼容USB1.1规范的单片机。它既负责USB事务处理也兼具微处理器的控制功能，可用作USB外部设备的主控芯片。该芯片把USB2.0收发器、串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine)、增强的8051内核、I2C总线接口以及通用可编程接口GPIF(General programmable Interface)集成于一体。

CPLD逻辑控制模块
CPLD逻辑单元强大，互联关系简单，传播延时小于3.5ns，适合于逻辑复杂、输入变量多的逻辑系统。用于控制整个系统，增大了系统的灵活性和实时性。系统中的CPLD采用了MAX7000系列的EPM7128 ，共有128个宏单元，2500个门，10ns延时。CPLD负责A/D和D/A模块的控制及数据的存储与读取。USB芯片与外部电路及主机的通信，是系统的控制核心。

系统的总体结构

虚拟仪器的硬件部分主要分为数据采集和波形发生器两大部分。图2是多通道高速数据采集系统的结构框图。

图2 　系统结构框图

数据采集系统由CPLD芯片EPM128、USB接口芯片CY7C68013、模数转换芯片ADS8364和DAC7624/25、628512的SRAM 及其外围电路组成。原始信号通过处理，变成A/D可以采样的信号后送入采集系统，CPLD通过A/D转换器对输入电压信号进行单通道或多通道的采样，将16位的采样结果存储在两片横行并联的SRAM 628512中，存储的地址由CPLD构成的地址发生器产生，当SRAM存满，USB系统将数据从中读出，并通过数据线(D+，D-)送至主机。本系统可适用于多通道的高速采样，可以灵活地改变采样的通道，来实现单通道或多通道的采样；采样频率可以进行预置，来适应不同频率的输入信号。

信号种类包含正弦波、方波、锯齿波、三角波。输出幅值为-2.5～+2.5V。当要输出选定的波形时，先利用USB口将数据从主机中送到SRAM进行缓存，CPLD对D/A进行读写控制，输出电压可以通过电压放大器进行放大，达到要求的幅值。输出波形是通过改变每个周期输出点的个数来改变波形的频率的。通过改变D/A的输出通道实现对不同设备进行输入。

USB与上位机接口，负责与上位机进行通讯。上位机通过USB接口将A/D采样频率及通道选择的预置数据传送到CPLD，利用CPLD实现对A/D采样频率和通道的改变。系统采集的数据再通过USB接口送入上位机进行显示和分析。

使用CPLD和4046来实现A/D采样频率的改变，适用于不同频率的信号。通过预置分频器的数值，从而方便地改变采样频率，适合于从几十Hz到250kHz范围的信号。采样频率可以灵活改变，也避免了高频信号对整个系统的干扰。

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