摘要: 本文采用一種新型的通信標準USB，研制出一種基于USB接口的實用型數(shù)據(jù)采集卡。硬件是一外置式的密封設備，軟件具有很好的用戶圖形界面。整個系統(tǒng)功能齊全、操作簡單，采樣速度24MB/s達到國內(nèi)先進水平。詳細論述了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設計，并且對系統(tǒng)所使用的主要芯片和相關(guān)技術(shù)做了說明；本文還對USB驅(qū)動程序、固件程序和應用層程序進行了開發(fā)。
關(guān)鍵字: 數(shù)據(jù)采集；USB；數(shù)模轉(zhuǎn)換；CPLD

1 引言

   隨著低成本高性能的計算機資源普及運用、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化測量平臺逐漸成為測量儀器的基礎。所有測量測試儀器的主要功能由數(shù)據(jù)采集采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果的表達與輸出三大部分組成。高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是影響其發(fā)展的一個重要因素。本文實現(xiàn)了基于USB接口的實用型數(shù)據(jù)采集卡的設計。

2數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)設計

   本文采用集散型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，定位為高速、雙通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。整個系統(tǒng)采用模塊化技術(shù)，各個模塊通過總線連接。設計時將整個系統(tǒng)劃分為四個相互關(guān)聯(lián)的有機部分，即信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、CPLD控制模塊和軟件操作平臺。模塊間連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 模塊間的連接

   高速數(shù)據(jù)采集卡的設計的關(guān)鍵是高速ADC的選擇和經(jīng)采樣得到的高速數(shù)據(jù)如何被送到計算機里進行處理，在本章中將詳細介紹關(guān)于高速數(shù)據(jù)采集卡的各模塊的設計。高速數(shù)據(jù)采集卡硬件部分的設計從功能上主要包括信號調(diào)理模塊、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、CPLD控制模塊以及與計算機接口部分電路組成。

2.1 信號調(diào)理模塊的設計

   在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，現(xiàn)場輸入信號是高頻的模擬信號，信號變化的范圍都比較大，如果采用單一的增益放大，那么放大以后的信號幅值有可能超過A/D轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號的變化相應地調(diào)整放大器的增益。在自動化程度較高的系統(tǒng)中，希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益，AD8321正是這樣一種具有增益可編程功能的芯片。AD8321是美國AD工公司生產(chǎn)的一種增益可編程線驅(qū)動器，可廣泛應用于多種領(lǐng)域。它具有頻帶寬、噪聲低、增益可編程且易于與單片機進行串行通信等優(yōu)點，十分適合在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做前置放大。本文的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖如圖2。

圖2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

   在此系統(tǒng)中，高頻模擬信號線輸入到AD8321，經(jīng)程控放大后再輸送到具有采樣保持功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，因為采樣頻率為高頻，所以在A/D后接在EZ-USB FX2芯片，然后再連到計算機上。

2.2 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設計

圖3 AD9059管腳及基本連接

   高速數(shù)據(jù)采集卡的核心是高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它直接影響了整個數(shù)據(jù)采集卡的性能指標，所以選擇合適的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器是至關(guān)重要的。

   本文采用的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器是AD公司生產(chǎn)的AD9059, AD9059是8位單片雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要有兩個跟蹤/保持電路(T/H)、2個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCa, ADCb)和一個2.5V的基準電源等組成，具有高速、高性能、低功耗及易使用等特性，60MSPS的編碼速率和120MHz的最大功率模擬帶寬使其在多路數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中表現(xiàn)出優(yōu)秀的動態(tài)性能。大部分情況下，AD9059僅需要一個單極性的5V電源和一個編碼時鐘即能正常工作。編碼時鐘提供與TTL/CMOS兼容的邏輯數(shù)據(jù)輸出，并控制兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換通道同時對數(shù)據(jù)進行采樣。如長時間不需要采集數(shù)據(jù)，可啟動體眠模式使總功耗小于12MW。AD9059的管腳和基本連接如圖3所示。管腳AINA,  AINB為雙通道模擬輸入;VREF為參考電壓，一般可以采用內(nèi)部2.5V的參考電壓。理論上模擬電壓的輸入范圍與參考電壓有關(guān)，Vrange (p-p)=VREF/2.5,  Vmidscale=VREF。PWRDN為掉電功能選擇，當 PWRDN為邏輯高電平時，AD9059處于掉電模式，這時，所有的邏輯輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)，VD為+5V模擬供電電壓，VDD為邏輯輸出供電電壓，D0A-D7A和D0B-D7B為雙通道數(shù)據(jù)輸出，ENCODE為編碼時鐘，最大采樣時鐘為60MHZ,  ADC在時鐘的上升沿開始采樣。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接傳送到FX2的數(shù)據(jù)線上。ADC的時鐘及控制信號等由CPLD提供。

2.3 CPLD的選擇與USB設計

   在本設計中，所有的數(shù)字電路部分，全部是在CPLD內(nèi)實現(xiàn)的。在本設計中采用了Lattice公司的ISP1032這塊芯片，所用的EDA軟件是Lattice公司的ispEXPERT system，編程語言為ABEL語言和電路原理圖。

    在用CPLD進行數(shù)字系統(tǒng)的設計一般采用由頂?shù)较?，由粗到細，逐步求精的原則，最頂層的設計是指系統(tǒng)的整體要求，最底層的設計是具體的邏輯電路的實現(xiàn)。經(jīng)過在實踐中檢驗，在高速數(shù)據(jù)采集卡中，用CPLD來實現(xiàn)數(shù)字邏輯電路功能，可以使高速數(shù)據(jù)采集卡工作穩(wěn)定，各方面性能良好。

    通用串行總線(Universal Serial Bus，簡稱USB)是1995年康柏、微軟、IBM,DEC等公司為了解決傳統(tǒng)總線的不足推廣的一種新型串行通信標準。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。在本文中采用的是具備USB通信功能的單片機的芯片，Cypress公司的EZ-USB FX2。

3 系統(tǒng)軟體設計

3.1 USB設備驅(qū)動程序

圖4 USB驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)

    Windows系統(tǒng)對構(gòu)成一個USB總線主機的不同軟件部分進行了明確的劃分，如圖4所示，其中USB客戶軟件僅僅包含了用來控制不同的USB外設的設備驅(qū)動程序。USB客戶軟件會通過一個Windows所定義的一個軟件接口來同根集線器驅(qū)動程序進行通信。而USB根集線器驅(qū)動程序則要通過USBDI(通用串行總線驅(qū)動程序接口)來實現(xiàn)同USBD通用串行總線驅(qū)動程序)的通信。然后，USBD會選擇兩種主控制器驅(qū)動程序(UHCD和OpenHCI)之一來同其下方的主控制器進行通信。最后，在USB總線和主機控制器之間存在一個PCI總線枚舉器，它負責在檢測到系統(tǒng)中存在一個通用串行總線時，裝載適當?shù)腢SB總線系統(tǒng)軟件，主控制器驅(qū)動程序會通過PC工枚舉器軟件直接實現(xiàn)對USB物理層總線的訪問。HCD與USBD代表了基于對不同層次的抽象的軟件接口，它們能以某種方式共同工作，以滿足USB系統(tǒng)的整體要求。

3.2 固件程序開發(fā)

   設備固件是設備運行的核心，它控制整個硬件系統(tǒng)的運行，并負責處理PC機發(fā)來的各種USB請求，以完成它們之間的數(shù)據(jù)傳輸。其主要功能包括控制放大模塊、實現(xiàn)通道選擇;控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集;通過FX2實時上傳采集數(shù)據(jù)給PC;控制FX2芯片接收并處理USB設備驅(qū)動程序的請求(如設置USB接口狀態(tài)等多種USB協(xié)議標準請求)等。

   Cypress公司提供的EZ-USB FX2軟件包為用戶開發(fā)基于EZ-USB FX2系列芯片的USB設備的編程提供了很大的方便。無論是開發(fā)基于外設的8051固件程序，還是開發(fā)基于USB主機的設備驅(qū)動程序或應用程序，該軟件包都提供了較完備的程序框架和例程庫。

   EZ-USB FX2固件庫為用戶開發(fā)EZ-USB FX2固件提供了底層Keil C函數(shù)庫。EZ-USB FX2軟件開發(fā)包提供了該庫的目標文件，同時還提供了該函數(shù)庫的源代碼，用戶可以利用Keil來重新編寫該函數(shù)庫。

   EZ-USB FX2固件是使用EZ-USB FX2程序框架或直接使用EZ-USB FX2固件庫開發(fā)的程序，這是開發(fā)USB外設的重要部分。

   FX2在其固件程序中把自己定義為USB大存儲類、塊傳輸子類，操作系統(tǒng)(Win98以上)有相應的USB類設備驅(qū)動程序來支持這種USB類外設，而不需要另外在操作系統(tǒng)內(nèi)安裝其驅(qū)動程序。在FX2的固件程序中寫入USB通信模塊，就可以實現(xiàn)主機和USB設備的通信。

    固件程序必須包括DSCR.A51(A51宏匯編器), USBJmpTb.OBJ(目標文件轉(zhuǎn)換器)和Ezusb.lib ( Ezusb C編譯器庫文件和啟動代碼)。

    固件程序有兩個C文件，一個是FW.C，即框架程序，定義了基本的USB設備的功能，一般不許修改。另一個是FUNCTION.C(FUNCTION為自己命名)，本設計要實現(xiàn)的具體功能在此文件中完成。

3.3 應用層程序

   應用層程序用Visual C++6.0來開發(fā)，它可以直接調(diào)用底層的設備驅(qū)動程序。利用VC開發(fā)的應用軟件具有高效、美觀、操作方便等優(yōu)點。

圖5 軟件流程圖

    如圖5所示，本系統(tǒng)需要通過軟件下載固件程序，對ADC、放大模塊、采集模塊進行控制，同時還要接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)。在采集開始前，可以先將命令發(fā)送出去，實現(xiàn)在固件程序中定義的相應功能，如通過FX2口線控制前置放大模塊等。然后可以讀取傳送到主機的數(shù)據(jù)，或者向設備發(fā)送數(shù)據(jù)等。

    本文作者創(chuàng)新點: 本文設計的USB2.0為接口的數(shù)據(jù)采集卡，采樣及數(shù)據(jù)傳輸速度都達到了24Mb/s，達到國內(nèi)先進水平。同時該系統(tǒng)具有簡單實用，硬件成本低，構(gòu)造簡單，復用性良好，功能強大的特點，也是該系統(tǒng)的優(yōu)勢之處。