基于USB接口的便攜式信號(hào)采集器

0 引言
在高速信號(hào)采集設(shè)備中，高速采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是一對(duì)固有矛盾。特別是在一些強(qiáng)調(diào)便捷性的場(chǎng)合中，這個(gè)問(wèn)題愈發(fā)突出。該問(wèn)題與設(shè)備接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)和控制方式三個(gè)方面相關(guān)。目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口方式很多，如RS 232串行口、并行口、ISA總線、PCI總線、PXI總線、USB等。RS 232明顯滿足不了速度的要求，PCI總線和PXI總線速度快，但是該接口方式通用性比較差，軟件復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。USB 2．O傳輸速度可達(dá)480MSPS，支持即插即用，方便快捷，通用性強(qiáng)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)多采用硬盤(pán)。硬盤(pán)具有體積大，容量大的特點(diǎn)。然而NAND FLASH具有體積小，速度快，操作方便的優(yōu)點(diǎn)。
采集控制多采用虛擬儀器設(shè)備，這類設(shè)備需要使用電腦，功能強(qiáng)大，還需要操作系統(tǒng)的支持。采用FPGA作為控制核心，具有體積小，靈活等特點(diǎn)。所以采取USB和FPGA及NAND FLASH的采集設(shè)備具有靈活、便捷、高速的特點(diǎn)。采取間斷性的采集方式能夠很好地解決高速采集與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之間的固有矛盾。

1 采集設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最高采樣率80 MHz，其采樣寬度為14位，輸入電壓峰峰值為2 V，最大存儲(chǔ)容量為2 GB。該系統(tǒng)由6大部分組成，分別是模／數(shù)轉(zhuǎn)換單元、緩存單元、USB傳輸單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、總控制單元、系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．1 模／數(shù)轉(zhuǎn)換單元
A／D轉(zhuǎn)換的最高采樣率為80 MSPS，輸出為14位的二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)。芯片支持差分模擬信號(hào)的輸入，并且輸出CMOS兼容電壓。
1．2 緩存單元
由于前端A／D的最高采樣率為80 MSPS，因此需要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖后才能將數(shù)據(jù)不丟失存儲(chǔ)；又因?yàn)橐獫M足最高采集1 MB的連續(xù)模擬信號(hào)，且不丟失數(shù)據(jù)，因此緩存的容量至少為1 MB。采用的異步型SRAM IS61LV51216，存取時(shí)間為10 ns，單片容量為1 MB，故滿足了這個(gè)要求。
1．3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元
按便攜式采集不能采用磁介質(zhì)存儲(chǔ)設(shè)備，同時(shí)還需要較存儲(chǔ)容量，因SAMSUNG公司的K9K8G08UOA芯片作為存儲(chǔ)芯片具有體積小，重量輕，單片容量8 Gb等特點(diǎn)。并且可以更換為單片64 Gb的NAND FLASH芯片實(shí)現(xiàn)目前8倍存儲(chǔ)容量的升級(jí)，故采用它。
1．4 USB傳輸單元
采用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有方便、靈活的特點(diǎn)。采用CY7C68013 USB控制芯片容易實(shí)現(xiàn)將采集后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X。
1．5 總控制單元
總控單元采用2片F(xiàn)PGA作為采集存儲(chǔ)的控制核心，型號(hào)為EPC2C8208?？偪刂茊卧?fù)責(zé)控制協(xié)調(diào)模／數(shù)轉(zhuǎn)換單元、緩存單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元以及USB傳輸單元之間的數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)功能。
1．6 系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)
在整個(gè)系統(tǒng)中利用5 V為直接輸入電壓(5 V電壓可以是電壓源輸入的也可以利用USB總線供電)，利用電源轉(zhuǎn)換芯片LT_1764-3．3得到3．3 V電壓，用PTH05000得到1．2 V電壓。

2 采集設(shè)備系統(tǒng)工作模式
該采集系統(tǒng)采取數(shù)據(jù)導(dǎo)入和采集兩種工作模式；兩種工作模式獨(dú)立工作方式來(lái)降低系統(tǒng)復(fù)雜度，采集模式在采集控制按鍵按下后開(kāi)始信號(hào)采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后進(jìn)行LED報(bào)警表示采集完成；數(shù)據(jù)導(dǎo)入模式中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從FLASH中向計(jì)算機(jī)中導(dǎo)入，導(dǎo)入完成后提示。
采用SRAM和FLASH雙乒乓的方式進(jìn)行工作模式，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大的信號(hào)的吞吐率。圖2，圖3分別為2種工作模式的流程。