基于USB接口的實(shí)用型數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

相關(guān)專題: 芯片

摘要: 本文采用一種新型的通信標(biāo)準(zhǔn)USB,研制出一種基于USB接口的實(shí)用型數(shù)據(jù)采集卡。硬件是一外置式的密封設(shè)備,軟件具有很好的用戶圖形界面。整個(gè)系統(tǒng)功能齊全、操作簡(jiǎn)單,采樣速度24MB/s達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。詳細(xì)論述了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),并且對(duì)系統(tǒng)所使用的主要芯片和相關(guān)技術(shù)做了說(shuō)明;本文還對(duì)USB驅(qū)動(dòng)程序、固件程序和應(yīng)用層程序進(jìn)行了開(kāi)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(jì)算機(jī)資源普及運(yùn)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(cè)量平臺(tái)逐漸成為測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)。所有測(cè)量測(cè)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(dá)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(gè)重要因素。本文實(shí)現(xiàn)了基于USB接口的實(shí)用型數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)。

2數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(gè)系統(tǒng)采用模塊化技術(shù),各個(gè)模塊通過(guò)總線連接。設(shè)計(jì)時(shí)將整個(gè)系統(tǒng)劃分為四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)部分,即信號(hào)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(tái)。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(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)里進(jìn)行處理,在本章中將詳細(xì)介紹關(guān)于高速數(shù)據(jù)采集卡的各模塊的設(shè)計(jì)。高速數(shù)據(jù)采集卡硬件部分的設(shè)計(jì)從功能上主要包括信號(hào)調(diào)理模塊、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、CPLD控制模塊以及與計(jì)算機(jī)接口部分電路組成。

2.1 信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)是高頻的模擬信號(hào),信號(hào)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(hào)幅值有可能超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的量程,所以必須根據(jù)信號(hào)的變化相應(yīng)地調(diào)整放大器的增益。在自動(dòng)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(guó)AD工公司生產(chǎn)的一種增益可編程線驅(qū)動(dòng)器,可廣泛應(yīng)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(jī)進(jìn)行串行通信等優(yōu)點(diǎn),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(hào)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?yàn)椴蓸宇l率為高頻,所以在A/D后接在EZ-USB FX2芯片,然后再連到計(jì)算機(jī)上。

2.2 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

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(gè)數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo),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(gè)跟蹤/保持電路(T/H)、2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCa, ADCb)和一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)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(dòng)態(tài)性能。大部分情況下,AD9059僅需要一個(gè)單極性的5V電源和一個(gè)編碼時(shí)鐘即能正常工作。編碼時(shí)鐘提供與TTL/CMOS兼容的邏輯數(shù)據(jù)輸出,并控制兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。如長(zhǎng)時(shí)間不需要采集數(shù)據(jù),可啟動(dòng)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(dāng) PWRDN為邏輯高電平時(shí),AD9059處于掉電模式,這時(shí),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(shí)鐘,最大采樣時(shí)鐘為60MHZ, ADC在時(shí)鐘的上升沿開(kāi)始采樣。經(jīng)過(guò)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(shí)鐘及控制信號(hào)等由CPLD提供。

作者:劉向文 來(lái)源:微計(jì)算機(jī)信息


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