USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)

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，在瞬態(tài)信號測量、圖像處理等一些高速、高精度的測量中，需要進行高速數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，存在以下缺點：安裝麻煩；價格昂貴；受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴展性差；在一些電磁干擾性強的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，導致采集的數(shù)據(jù)失真。

通用串行總線USB是1995年康柏、微軟、IBM、DEC等公司為解決傳統(tǒng)總線不足而推廣的一種新型的通信標準。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優(yōu)點，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢?；?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/USB">USB的高速數(shù)據(jù)采集卡充分利用USB總線的上述優(yōu)點，有效解決了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。

1 USB數(shù)據(jù)采集卡原理

1.1 USB簡介

通用串行總線適用于凈USB外圍設(shè)備連接到主機上，通過PCI總線與PC內(nèi)部的系統(tǒng)總線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。同時USB又是一種通信協(xié)議，支持主系統(tǒng)與其外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。USB器件支持熱插拔，可以即插即用。USB1.1支持兩種傳輸速度，既低速1.5Mbps和高速12Mbps，在USB2.0中其速度提高到480Mbps。USB具有四種傳輸方式，既控制方式（Control mode）、中斷傳輸方式（Interrupt mode）、批量傳輸方式（Bulk mode）和等時傳輸方式（Iochronous mode）。

考慮到USB傳輸速度較高，如果用只實現(xiàn)USB接口的芯片外加普通控制器（如8051），其處理速度就會很慢而達不到USB傳輸?shù)囊?；如果采用高速微處理器（如DSP），雖然滿足了USB傳輸速率，但成本較高。所以選擇了TI公司內(nèi)置USB接口的微控制器芯片TUSB3210，開發(fā)了具有USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡。

1.2 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

整個系統(tǒng)以TUSB3210為核心，負責啟動A/D轉(zhuǎn)換，控制FIFO的讀寫及采樣頻率的設(shè)定，與主機之間的通信及數(shù)據(jù)傳輸。

2 USB數(shù)據(jù)采集卡硬件

2.1 TUSB3210芯片

TUSB3210是TI公司推出的內(nèi)嵌8052內(nèi)核并帶有USB接口的微控制器芯片。TUSB3210有256字節(jié)的內(nèi)部RAM，8K字節(jié)的程序RAM，512字節(jié)的USB數(shù)據(jù)緩沖和端點描述塊EDB（Endpoint Descriptor Blocks），4個通用的GPIO端口P0、P1、P2、P3，I2C接口電路，看門狗電路等。

TUSB3210的USB接口符合USB1.1協(xié)議，有4個輸入端點（Input Endpoint）和4個輸出端點（Output End-Point），支持全速和低速傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸方式。TUSB3210的USB接口采用串行接口引擎（SIE）編碼和解碼串行數(shù)據(jù)，并且進行校驗、位填充，執(zhí)行USB所需要的其他信號。這樣采用硬件完成USB協(xié)議，簡化了固件代碼的編制。

TUSB3210采用基于內(nèi)部RAM的解決方案，允許通過I2C總線從串行EEPROM中讀入固件或從主機中下載固件程序。這項功能便于設(shè)備的開發(fā)與在線升級。

2.2 A/D芯片MAX1449

MAX1449是MAXIM公司生產(chǎn)的10位、105MSPS、單3.3V電源、低功耗的高速A/D芯片。它采用差分輸入，帶有高寬帶采樣/保持（T/H）的10階段流水線（pipeline）型結(jié)構(gòu)的ADC，如圖2。采樣信號每半個時鐘周期通過一個流水線段，完成連續(xù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)輸出共需5.5個時鐘周期。每個流水線首先通過一個1.5位的閃速ADC對輸入電壓量化，由DAC產(chǎn)生一個對應(yīng)于量化結(jié)果的電壓并與輸入電壓作差，輸出電壓放大2倍后送到下一級流水線處理。每級流水線提供1位的分辨率，并進行差錯校正，得到良好的線性和低失調(diào)。

MAX1449提供一個2.048V的精確帶隙基準源，用來設(shè)定ADC滿量程范圍，也可以用外部基準源改變量程范圍。MAX1449的最大差分輸入電壓范圍為2V。

2.3 輸入信號處理電路

MAX1449芯片的輸入信號為差分輸入時有最佳的采樣效果。在本系統(tǒng)中用TI的HTS4503作為單端輸入到差分輸出的轉(zhuǎn)換電路。THS4503高性能的全差分運放，帶寬可達270MHz，具有非常好的線性，在100MHz下可支持11位的A/D轉(zhuǎn)換要求，適合作為A/D變換的前端接口電路。具體電路見圖3所示。

2.4 FIFO和時鐘發(fā)生電路

高速A/D變換的數(shù)據(jù)不能直接通過USB送入主機，系統(tǒng)中通過FIFO來緩沖數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用TI公司SN74V293芯片。它的容量為65536×18或131072×9，最快讀寫周期為6ns，可以滿足100MHz采樣數(shù)據(jù)的存儲。用戶可以選擇輸入、輸出寬度，當選擇輸入、輸出寬度為18時，可存儲64K×10位的數(shù)據(jù)。如果選擇輸入、輸出為9位，則可使存儲容量擴大到128×9位，這樣對精度要求不高的用戶可以獲得更多數(shù)據(jù)。

SN74V293有獨立的讀寫時鐘控制電路，允許讀寫操作同時進行。SN74V293內(nèi)部有滿、空、半滿輸出信號以及可編程設(shè)定的幾乎滿和幾乎空輸出信號，通過這些信號控制器可以靈活控制FIFO的讀寫操作。

對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，時鐘信號很重要。在本系統(tǒng)中選用DALLAS公司的DS1073時鐘芯片。DS1073是無需外部元件的頻率振蕩器。通過DALLAS獨有的1-wire技術(shù)，可以設(shè)定內(nèi)部的分頻器數(shù)值，實現(xiàn)輸出頻率從27.3kHz～100MHz可調(diào)，從而方便地改變采樣時鐘，簡化電路設(shè)計。MAX1449數(shù)據(jù)輸出時下降沿有效，而FIFO寫入時上升沿鎖存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中采用DS90LC028A實現(xiàn)對時鐘信號的取反。

2.5 PCB板制作

由于是高速A/D采集，在制作PCB板時有一些需要注意的地方。電路板最好使用多層板，元件盡量選用表面封裝器件。這樣可以減小元器件之間的距離，減小寄生電感、寄生電容，同時減小電路板的尺寸。所有的旁路電容都要盡量靠近芯片的電源管腳。模擬公共地和數(shù)字公共地要分開，選一點通過低值表貼電阻（1～5Ω）、磁珠或直接連接，以免數(shù)字地電流干擾模擬地。電源最好用線性穩(wěn)壓電源，A/D和前端處理電路要用同一電源地輸出，減小電源波動對采集的影響。

3 USB高速數(shù)據(jù)采集卡的軟件

開發(fā)一個USB設(shè)備，軟件設(shè)計是必不可少的。USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計分為三部分：USB外設(shè)端的固件（Firmware）、主機操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動程序以及主機應(yīng)用軟件。主機應(yīng)用軟件通過客戶驅(qū)動程序與系統(tǒng)USBI（USB Device Interface）進行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動作；固件則響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標準請求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。

3.1 USB接口編程

固件程序主要是實現(xiàn)USB通信。TUSB3210采用SIE來管理USB通信。當主機與芯片進行USB通信時，會產(chǎn)生外部中斷0，通過中斷矢量寄存器判斷。Setup_packed_Int、Input_endpoint0_Int、Output_endpoint0_Int這三個中斷主要用于與主機建立連接、進行控制傳輸或中斷傳輸；Input_endpoint1_Int、Output_endpoint1_Int這兩個中斷主要在批量傳輸時使用。在固件中分別執(zhí)行不同的中斷程序來實現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)傳輸。

Void EX0_int(void) interrupt 0 //外部中斷0

{

EA=DISABLE; //關(guān)中斷

switch (bBECINT)(//確定中斷ID

case VECINT_OUTPUT_ENDPOINT0:

bVECFINT=0x00;

Ep0QutputInterruptHandler()；

break;

case VECINT_INPUT_ENDPOINT0:

bBECINT=0x00;

Ep0InputInterruptHandler()；

break；

case VECINT_OUTPUT_ENDPOINT1:

bVECINT=0x00;

Ep 1 OutputInterruptHandler();

Break;

case VECINT_INPUT_ENDPOINT1:

bVECINT=0x00;

Ep1InputInterruptHandler();

break;

case VECINT_SETUP_PACKET_RECEIVED:

SetupPacketInterruptHandler();

bUSBSTA=USBSTA_SETUP;

bVECINT=0x00;

break;

default:break; //不知道中斷ID

EA=ENABLE; //開中斷

}

3.2 主機軟件設(shè)計

筆者首先開發(fā)TUSB3210在主機中的驅(qū)動程序。用WinDK3.0開發(fā)了Win2000下的驅(qū)動程序，實現(xiàn)了控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸?shù)臉藴式涌诤瘮?shù)。

在應(yīng)用程序開發(fā)中，可用VC++編制應(yīng)用程序?？梢园裊SB設(shè)備當成文件來操作，利用CreateFile得到USB句柄，用DeviceIoControl來進行控制傳輸，用ReadFile、WriteFile進行批量傳輸。程序?qū)嵗缦拢?/P>

HANDLE m_hUsbSample； //USB句柄

m_hUsbSample=CreateFile(\.USBSampl0，GENERIC_READ|

GENERIC_WRITE，F(xiàn)ILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE，NULI，OPEN_EXISTING，0，NULL）； //打開USB句柄

DeviceIoControl(m_hUsbSample,IOCTL_USBSAMPL_REBOOT, NULL,0,NULL,0,length,NULL); //控制傳輸

WriteFile(m_hUsbSample,pBuffer,writelength,writelength,NULL); //批量輸出傳輸

ReadFile(m_hUsbSample,pBuffer,64,lgngth,NULL); //批量輸入傳輸

CloseHandle(m_hUsbSample); //關(guān)閉USB句柄

使用上述函數(shù)編制USB高速數(shù)據(jù)采集卡的主機軟件。

通過以上設(shè)計實現(xiàn)了基于USB數(shù)據(jù)采集卡的基本功能。但還有一些如信號的觸發(fā)、事件的捕獲功能還需完善；需開發(fā)基于USB2.0的系統(tǒng)，進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?