基于ISP1581的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)采集廣泛應(yīng)用于信號(hào)檢測、信號(hào)處理、儀器儀表等領(lǐng)域。目前，有各種數(shù)據(jù)采集卡或采集系統(tǒng)可供選擇，但由于數(shù)據(jù)源以及用戶需求的多樣性，有時(shí)并不能滿足要求。特別是在某些應(yīng)用中，需要同時(shí)高速采集多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，而且為了分析比較各通道信號(hào)間的相互關(guān)系，常常要求所有通道的采集必須同步。目前常用的數(shù)據(jù)采集卡是具有ISA總線、PCI總線等接口形式的A/D采集卡，雖然數(shù)據(jù)傳輸率很高，但是還存在整個(gè)系統(tǒng)笨重，缺乏靈活性，不能實(shí)現(xiàn)即插即用，不適合小型、便攜設(shè)備應(yīng)用等缺點(diǎn)。通用串行總線(USB)是為了解決日益增加的PC機(jī)外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)。USB的出現(xiàn)很好地解決了以上問題。USB不僅具有快速的傳輸性能，而且USB協(xié)議本身具有其糾錯(cuò)能力，它的即插即用模式和易擴(kuò)展性能都具有很強(qiáng)的發(fā)展前途和應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于ISP1581的高速USB多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)最高采樣率每通道可達(dá)500 K字，并且具有增益控制調(diào)節(jié)、外觸發(fā)同步采集等功能,目前該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某水下定位系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)硬件組成

　　如圖1所示，系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路模塊、A/D采集模塊、USB數(shù)據(jù)傳輸模塊三個(gè)部分組成。

　　1.1 信號(hào)調(diào)理電路模塊

　　由于從傳感器進(jìn)來的信號(hào)一般都比較小(大約在微伏量級(jí))，A/D無法直接對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采集，需要通過信號(hào)調(diào)理電路模塊對(duì)其進(jìn)行放大，以滿足A/D采集的量程范圍。另外,由于信號(hào)容易受到外界噪聲以及電噪聲的干擾，通過信號(hào)調(diào)理電路所具有的濾波功能，可以濾除信號(hào)頻帶外的噪聲。

　　1.2 A/D采集模塊

　　A/D采集模塊由1片F(xiàn)PGA和2片A/D組成，完成4路信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇的是AD7655芯片。AD7655是一款高速、低功耗4通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,采用5 V單電源供電，模擬輸入信號(hào)范圍為0 V~5 V;高輸入阻抗，可對(duì)4路模擬輸入同時(shí)高速采樣并進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，采樣速率最高可達(dá)1 MS/s，支持并行或串行接口。由于本采集系統(tǒng)要求對(duì)各路信號(hào)的相位嚴(yán)格一致，而AD7655只能同時(shí)對(duì)4個(gè)通道中的2路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，因此，1片A/D僅連接了2路模擬信號(hào)。另外,為了保證所有通道信號(hào)的相位一致性，2片A/D需要使用同一個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)來控制轉(zhuǎn)換的進(jìn)行，故在電路連接時(shí)，把每個(gè)A/D芯片的轉(zhuǎn)換信號(hào)(CNVST)管腳連接在一起，然后連接到FPGA上的轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出管腳上，由FPGA輸出的轉(zhuǎn)換信號(hào)驅(qū)動(dòng)。FPGA與A/D之間的數(shù)據(jù)讀取采用總線的方式，將每一片A/D的讀控制信號(hào)都獨(dú)立連接到FPGA上，由FPGA控制各路采樣數(shù)據(jù)的讀取。采集電路連接如圖2所示。

　　1.3 USB數(shù)據(jù)傳輸模塊

　　USB數(shù)據(jù)傳輸模塊是本系統(tǒng)的核心。要開發(fā)USB功能設(shè)備，首先需要對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行全面了解，包括數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸類型、所需要的硬件資源等。在充分了解設(shè)計(jì)的產(chǎn)品后，要選擇合適的USB接口芯片，如果選擇得好，可以大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。

　　USB接口芯片是一種集成了USB協(xié)議的微處理器，能自動(dòng)對(duì)各種USB事件作出響應(yīng)，以處理USB總線上的數(shù)據(jù)傳輸。所有的主機(jī)和設(shè)備上都至少含有1塊實(shí)現(xiàn)其功能的USB接口芯片。按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，USB接口芯片有如下幾種分類方式，以功能分類則可以分為：主控制器芯片、集線器芯片、功能設(shè)備芯片；以使用方式進(jìn)行分類則可以分為：帶USB接口的專用MCU、帶USB接口的通用MCU、純粹的USB接口芯片。