USB接口多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在LABVIEW平臺(tái)的設(shè)計(jì)

引言

　　在日常的測(cè)試測(cè)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(guò)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(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和中斷資源，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)安全有威脅，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影響，最耗時(shí)最復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析卻由用戶通過(guò)第三方軟件(如VC，VB等) 在PC機(jī)上編寫(xiě)上位機(jī)軟件來(lái)完成，因此用戶不得不在這方面花費(fèi)大量精力。這些問(wèn)題都遏制了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，因此迫切需要設(shè)計(jì)一種更為簡(jiǎn)便通用的高速數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集以及與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互。

　　近年來(lái)通用串行總線(USB)以即插即用等技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(shí)傳輸，完全可以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的要求。LABVIEW是美國(guó)NI公司基于圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境，內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，集開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行于一體，其交互式的Express VI 易與各種范圍的I/O信號(hào)連接，可以非常容易地與各種主流的現(xiàn)場(chǎng)總線通信以及與大多數(shù)通用數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)進(jìn)程。如果根據(jù)DSP本身的特點(diǎn)，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(lái)完成，然后計(jì)算機(jī)再利用LABVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理顯示功能，這無(wú)疑將大大提高測(cè)量速度和精度。

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(jì)，充分利用DSP豐富的片上外設(shè)以及高性能的數(shù)字信號(hào)處理能力，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP處理后通過(guò)高速USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)上，通過(guò)LABVIEW軟件按照用戶的特定要求來(lái)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(diǎn)數(shù)字信號(hào)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(jìn)一步拓展DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提供了豐富的資源。本設(shè)計(jì)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(guò)USB總線傳輸至PC機(jī)，PC機(jī)接收到數(shù)據(jù)后按照用戶的要求通過(guò)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(cè)信號(hào)調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集控制處理部分和上位機(jī)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(jì)

　　信號(hào)調(diào)理模塊

　　由于被測(cè)輸入信號(hào)范圍為-15V~+15V，而DSP片上高速A/D轉(zhuǎn)換器要求輸入信號(hào)必須為0～3V,所以需要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。

　　信號(hào)調(diào)理模塊主要由高速運(yùn)算放大器AD8028組成。很多運(yùn)放都有這樣一個(gè)特點(diǎn)：當(dāng)輸入信號(hào)接近門(mén)檻電壓時(shí)，輸出從一個(gè)差分對(duì)到另一個(gè)差分對(duì)變換時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真，再加上信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)輸入信號(hào)衰減的比例很大，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)誤差會(huì)更大，因此運(yùn)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(yùn)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(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：即允許用戶通過(guò)片上特定的引腳選擇門(mén)檻電壓，這無(wú)疑大大減小了失真，因此AD8028是一個(gè)理想的選擇，其單通道信號(hào)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(gè)獨(dú)立的8通道模塊、也可以級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)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(shí)間是80ns，單次轉(zhuǎn)換時(shí)間是200ns。該模塊主要由前向模擬多路復(fù)用開(kāi)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(duì)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(jiǎn)化用戶配置代碼，加快程序開(kāi)發(fā)過(guò)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(shí)現(xiàn)，USB固件的加載必須靠DSP控制來(lái)完成。