基于LABVIEW平臺的USB接口多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的
引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/193361.htm在日常的測試測量中,經(jīng)常使用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。但是很多數(shù)據(jù)采集卡往往通過PCI總線完成數(shù)據(jù)的傳輸,它有諸多弊端,例如操作不便,受限于計算機插槽數(shù)量和中斷資源,現(xiàn)場信號對計算機安全有威脅,計算機內(nèi)部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響,最耗時最復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析卻由用戶通過第三方軟件(如VC,VB等) 在PC機上編寫上位機軟件來完成,因此用戶不得不在這方面花費大量精力。這些問題都遏制了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進一步開發(fā)和應(yīng)用,因此迫切需要設(shè)計一種更為簡便通用的高速數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)采集以及與計算機的數(shù)據(jù)交互。
近年來通用串行總線(USB)以即插即用等技術(shù)優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用,INTEL等公司最近公布了USB 3.0主控制器規(guī)范,該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率有望達(dá)5Gbps,且支持雙向同時傳輸,完全可以滿足實時數(shù)據(jù)采集的要求。LABVIEW是美國NI公司基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境,內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能,集開發(fā)、調(diào)試、運行于一體,其交互式的Express VI 易與各種范圍的I/O信號連接,可以非常容易地與各種主流的現(xiàn)場總線通信以及與大多數(shù)通用數(shù)據(jù)庫鏈接,大大簡化了開發(fā)進程。如果根據(jù)DSP本身的特點,把DSP集成到采集卡上,并把數(shù)據(jù)采集和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作留給DSP來完成,然后計算機再利用LABVIEW強大的數(shù)據(jù)處理顯示功能,這無疑將大大提高測量速度和精度。
系統(tǒng)總體設(shè)計方案
本文提出了一種基于LABVIEW的USB接口高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計,充分利用DSP豐富的片上外設(shè)以及高性能的數(shù)字信號處理能力,將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP處理后通過高速USB接口傳輸?shù)絇C機上,通過LABVIEW軟件按照用戶的特定要求來處理并顯示。
TMS320F2812型DSP芯片是TI公司推出的具有高速處理能力的高精度32位定點數(shù)字信號控制器,指令速度高達(dá)150MIPS,片內(nèi)集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)、脈寬調(diào)制電路、捕獲單元、光電編碼器、串行外設(shè)接口等模塊,為進一步拓展DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提供了豐富的資源。本設(shè)計采用TMS320F2812芯片(DSP)作為數(shù)據(jù)采集與控制單元,以CYPRESS公司的高速USB接口芯片CY7C68001為基礎(chǔ),利用DSP片上A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù),經(jīng)處理后把數(shù)據(jù)通過USB總線傳輸至PC機,PC機接收到數(shù)據(jù)后按照用戶的要求通過LABVIEW處理并顯示數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要有三部分組成:4通道被測信號調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集控制處理部分和上位機控制面板部分,系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
信號調(diào)理模塊
由于被測輸入信號范圍為-15V~+15V,而DSP片上高速A/D轉(zhuǎn)換器要求輸入信號必須為0~3V,所以需要對被測信號進行調(diào)理。
信號調(diào)理模塊主要由高速運算放大器AD8028組成。很多運放都有這樣一個特點:當(dāng)輸入信號接近門檻電壓時,輸出從一個差分對到另一個差分對變換時會產(chǎn)生失真,再加上信號調(diào)理模塊對輸入信號衰減的比例很大,如果設(shè)計不當(dāng)誤差會更大,因此運放的選擇非常關(guān)鍵。AD8028是Analog Devices公司的軌到軌輸入輸出的高速運算放大器,工作電壓2.7V-12V,共模抑制比110dB,帶寬190MHz,壓擺率100V/μS,它有一個突出的優(yōu)點:即允許用戶通過片上特定的引腳選擇門檻電壓,這無疑大大減小了失真,因此AD8028是一個理想的選擇,其單通道信號調(diào)理模塊電路圖如圖2所示。
數(shù)據(jù)采集模塊
DSP片上ADC模塊是可配置為2個獨立的8通道模塊、也可以級聯(lián)構(gòu)成一個16通道的帶流水線的12位ADC,最高采樣速率12.5MHz,流水線轉(zhuǎn)換時間是80ns,單次轉(zhuǎn)換時間是200ns。該模塊主要由前向模擬多路復(fù)用開關(guān)、采樣/保持電路、變換內(nèi)核、結(jié)果寄存器、排序器、電壓參考等部分組成,ADC模塊的功能框圖如圖3所示。
USB從接口CY7C68001模塊
CY7C68001集成有USB2.0收發(fā)器(物理層)、USB2.0串行接口引擎SIE(鏈路層)、4kB的FIFO和電壓調(diào)節(jié)器、鎖相環(huán),支持高速(480Mb/s)或全速(12Mb/s)傳輸,3.3V操作電壓,具有同步與異步的FIFO接口,支持USB2.0協(xié)議要求的全部4種傳輸方式(控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸),可以滿足用戶對各種數(shù)據(jù)傳輸方式的需求。片上的串行接口處理器(SIE)能完成大部分的USB協(xié)議操作,使用戶可以擺脫復(fù)雜的協(xié)議細(xì)節(jié),簡化用戶配置代碼,加快程序開發(fā)過程。但是由于不帶MCU內(nèi)核,所以USB應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)該由DSP編程實現(xiàn),USB固件的加載必須靠DSP控制來完成。
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