基于usb總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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1、基于usb總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)摘要：介紹了一種基于ＵＳＢ總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，討論了ＵＳＢ控制器ＥＺ－ＵＳＢＦＸ２ＣＹ７Ｃ６８０１３的性能及傳輸方式給出了該系統(tǒng)的硬件和基于ＧＰＩＦ主控方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O計方法。關(guān)鍵詞：ＵＳＢ；數(shù)據(jù)采集；ＥＺ－ＵＳＢＦＸ２；ＧＰＩＦ１　引言現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高。目前比較通用的是在ＰＣ或工控機內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡（如Ａ／Ｄ卡及４２２、４８５卡）。但這些數(shù)據(jù)采集設備存在以下缺陷：安裝麻煩、價格昂貴、受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差，同時在一些電磁干擾性強的測試現(xiàn)場，可能無法專門對其作電磁屏

2、蔽，從而導致采集的數(shù)據(jù)失真。傳統(tǒng)的外設與主機的通訊接口一般是基于ＰＣＩ總線、ＩＳＡ總線或者是ＲＳ－２３２Ｃ串行總線。ＰＣＩ總線雖然具有較高的傳輸速度（１３２Ｍｂｐｓ），并支持“即插即用”功能，但其缺點是插拔麻煩，且擴展槽有限（一般為５～６個），ＩＳＡ總線顯然存在同樣的問題。ＲＳ－２３２Ｃ串行總線雖然連結(jié)簡單，但其傳輸速度慢（５６ｋｂｐｓ），且主機的串口數(shù)目也有限。通用串行總線（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ，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，而推出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)

3、逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢?；冢眨樱碌臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用ＵＳＢ總線的上述優(yōu)點，有效地解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺陷。ＵＳＢ的規(guī)范能針對不同的性能價格比要求提供不同的選擇，以滿足不同的系統(tǒng)和部件及相應不同的功能，從而給使用帶來極大方便。２　系統(tǒng)介紹２．１數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖１所示。其中數(shù)據(jù)采集接口卡是硬件部分的核心，它包括Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、微控制器、ＵＳＢ通信接口等。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中由于現(xiàn)場輸入信號是高頻模擬信號，因而信號的變化范圍都比較大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)

4、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公司生產(chǎn)的一種增益可編程線性驅(qū)動器。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)中做前置放大。經(jīng)過調(diào)理后的信號可送入模／數(shù)變換器（ＡＤＣ）進行Ａ／Ｄ變換。筆者選用的ＡＤＣ是ＴＬＣ５５４０，它是一種高速８位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能以高達每秒４０Ｍ的采樣速率進行轉(zhuǎn)換，由于采用半閃速結(jié)構(gòu)和ＣＭＯＳ工藝制造，因此功耗和成本很低。其７５ＭＨｚ（典型值）的模擬輸入帶寬使該器件成

5、為欠采樣應用的良好選擇。該器件帶有內(nèi)部電阻，可用于從５Ｖ電源產(chǎn)生２Ｖ滿度的基準電壓，以減少外部元件數(shù)。數(shù)字輸出置于高阻方式。它僅需要５Ｖ電源工作，可由ＵＳＢ總線供電。由于數(shù)據(jù)采集接口卡是硬件部分的核心，因此應選擇能適用ＵＳＢ協(xié)議的合適芯片。ＥＺ－ＵＳＢＦＸ２是一種ＵＳＢ２．０集成微控制器。它的內(nèi)部集成了ＵＳＢ２．０收發(fā)器、串行接口引擎（ＳＩＥ）、增強的８０５１微控制器和一個可編程的串行接口。其主要特性如下：●帶有加強的８０５１內(nèi)核性能，可達到標準８０５１的５～１０倍，且與標準８０５１的指令完全兼容；●集成度高，芯片內(nèi)部集成有微處理器、ＲＡＭ、ＳＩＥ（串行接口引擎）等多個功

6、能模塊，從而減少了多個芯片接口部分需要時序配合的麻煩；●采用軟配置，在外設未通過ＵＳＢ接口接到ＰＣ機之前，外設上的固件存儲在ＰＣ上；而一旦外設連接到ＰＣ機上，ＰＣ則先詢問外設是“誰”（即讀設備描述符），然后將該外設的固件下載到芯片的ＲＡＭ中，這個過程叫做再枚舉。這樣，在開發(fā)過程中，當固件需要修改時，可以先在ＰＣ機上修改好，然后再下載到芯片中；●具有易用的軟件開發(fā)工具，該芯片開發(fā)系統(tǒng)的驅(qū)動程序和固件的開發(fā)和調(diào)試相互獨立，可加快開發(fā)的速度。圖2USB接口示意圖２．２方案選擇ＦＸ２有三種可用的接口模式：端口、ＧＰＩＦ主控和從ＦＩＦＯ。在“端口”模式下，所有Ｉ／Ｏ引腳都可作為８０

7、５１的通用Ｉ／Ｏ口。在“從ＦＩＦＯ”模式下，外部邏輯或外部處理器直接與ＦＸ２端點ＦＩＦＯ相連。在這種模式下，ＧＰＩＦ不被激活，因為外部邏輯可直接控制ＦＩＦＯ。這種模式下，外部主控端既可以是異步方式，也可以是同步方式，并可以為ＦＸ２接口提供自己的獨立時鐘?！埃牵校桑浦骺亍苯涌谀Ｊ绞褂茫校希遥裕潞停校希遥裕臉?gòu)成通向四個ＦＸ２端點ＦＩＦＯ（ＥＰ２ＥＰ４ＥＰ６和ＥＰ８）的１６位數(shù)據(jù)接口。ＧＰＩＦ作為內(nèi)部的主控制器與ＦＩＦＯ直接相連，并產(chǎn)生用戶可編程的控制信號與外部接口進行通信。同時，ＧＰＩＦ還可以通過ＲＤＹ引腳采樣外部信號并等待外