USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

崔巖松時(shí)間:2008年09月25日

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???摘?要:???關(guān)鍵詞:?現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，在瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量、圖像處理等一些高速、高精度的測(cè)量中，需要進(jìn)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(diǎn):安裝麻煩；價(jià)格昂貴；受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差；在一些電磁干擾性強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法專(zhuān)門(mén)對(duì)其做電磁屏蔽，導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)?；赨SB的高速數(shù)據(jù)采集卡充分利用USB總線的上述優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。1USB數(shù)據(jù)采集卡原理1.1USB簡(jiǎn)介考慮到USB傳輸速度較高，如果用只實(shí)現(xiàn)USB接口的芯片外加普通微控制器(如8051)，其處理速度就會(huì)很慢而達(dá)不到USB傳輸?shù)囊?如果采用高速微處理器(如DSP)，雖然滿(mǎn)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(kāi)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(gè)系統(tǒng)以TUSB3210為核心，負(fù)責(zé)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，控制FIFO的讀寫(xiě)及采樣頻率的設(shè)定，與主機(jī)之間的通信及數(shù)據(jù)傳輸。2USB數(shù)據(jù)采集卡硬件2.1TUSB3210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(diǎn)描述塊EDB(EndpointDescriptorBlocks)，4個(gè)通用的GPIO端口P0、P1、P2、P3，I2C接口電路，看門(mén)狗電路等。TUSB3210采用基于內(nèi)部RAM的解決方案，允許通過(guò)I2C總線從串行EEPROM中讀入固件或從主機(jī)中下載固件程序。這項(xiàng)功能便于設(shè)備的開(kāi)發(fā)與在線升級(jí)。2.2A/D芯片MAX1449MAX1449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(hào)每半個(gè)時(shí)鐘周期通過(guò)一個(gè)流水線階段，完成連續(xù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)輸出共需5.5個(gè)時(shí)鐘周期。??每個(gè)流水線首先通過(guò)一個(gè)1.5位的閃速ADC對(duì)輸入電壓量化，由DAC產(chǎn)生一個(gè)對(duì)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(jí)流水線處理。每級(jí)流水線提供1位的分辨率，并進(jìn)行差錯(cuò)校正，得到良好的線性和低失調(diào)。MAX1449提供一個(gè)2.048V的精確帶隙基準(zhǔn)源，用來(lái)設(shè)定ADC滿(mǎn)量程范圍，也可以用外部基準(zhǔn)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(hào)處理電路MAX1449芯片的輸入信號(hào)為差分輸入時(shí)有最佳的采樣效果。在本系統(tǒng)中用TI的THS4503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(yùn)放，帶寬可達(dá)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(jiàn)圖3所示。??2.4FIFO和時(shí)鐘發(fā)生電路高速A/D變換的數(shù)據(jù)不能直接通過(guò)USB送入主機(jī)，系統(tǒng)中通過(guò)FIFO來(lái)緩沖數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用TI公司的SN74V293芯片。它的容量為65536×18或131072×9，最快讀寫(xiě)周期為6ns，可以滿(mǎn)足100MHz采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。用戶(hù)可以選擇輸入、輸出寬度，當(dāng)選擇輸入、輸出寬度為18時(shí)，可存儲(chǔ)64K×10位的數(shù)據(jù)。如果選擇輸入、輸出為9位，則可使存儲(chǔ)容量擴(kuò)大到128K×9位，這樣對(duì)精度要求不高的用戶(hù)可以獲得更多數(shù)據(jù)。SN74V293有獨(dú)立的讀寫(xiě)時(shí)鐘控制電路，允許讀寫(xiě)操作同時(shí)進(jìn)行。SN74V293內(nèi)部有滿(mǎn)、空、半滿(mǎn)輸出信號(hào)以及可編程設(shè)定的幾乎滿(mǎn)和幾乎空輸出信號(hào)，通過(guò)這些信號(hào)控制器可以靈活控制FIFO的讀寫(xiě)操作。對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，時(shí)鐘信號(hào)很重要。在本系統(tǒng)中選用DALLAS公司的DS1073時(shí)鐘芯片。DS1073是無(wú)需外部元件的頻率振蕩器。通過(guò)DALLAS獨(dú)有的1-wire技術(shù)，可以設(shè)定內(nèi)部的分頻器數(shù)值，實(shí)現(xiàn)輸出頻率從27.3kHz～100MHz可調(diào)，從而方便地改變采樣時(shí)鐘，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。MAX1449數(shù)據(jù)輸出時(shí)下降沿有效，而FIFO寫(xiě)入時(shí)上升沿鎖存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中采用DS90LC028A實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的取反。2.5PCB板制作由于是高速A/D采集，在制作PCB板時(shí)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(shí)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(kāi)，選一點(diǎn)通過(guò)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(dòng)對(duì)采集的影響。3USB高速數(shù)據(jù)采集卡的軟件開(kāi)發(fā)一個(gè)USB設(shè)備，軟件設(shè)計(jì)是必不可少的。USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為三部分:USB外設(shè)端的固件(Firmware)、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶(hù)驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用軟件。主機(jī)應(yīng)用軟件通過(guò)客戶(hù)驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)USBI(USBDeviceInterface)進(jìn)行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動(dòng)作;固件則響應(yīng)各種來(lái)自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。3.1USB接口編程固件程序主要是實(shí)現(xiàn)USB通信。TUSB3210采用SIE來(lái)管理USB通信。當(dāng)主機(jī)與芯片進(jìn)行USB通信時(shí)，會(huì)產(chǎn)生外部中斷0，通過(guò)中斷矢量寄存器判斷。Setup_packed_Int、Input_endpoint0_Int、Output_endpoint0_Int這三個(gè)中斷主要用于與主機(jī)建立連接、進(jìn)行控制傳輸或中斷傳輸;Input_endpoint1_Int、Output_endpoint1_Int這兩個(gè)中斷主要在批量傳輸時(shí)使用。在固件中分別執(zhí)行不同的中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)傳輸。voidEX0_int(void)interrupt0//外部中斷0{??????EA=DISABLE；//關(guān)中斷??????switch(bVECINT){//確定中斷ID?????????????caseVECINT_OUTPUT_ENDPOINT0：????????bVECINT=0x00；??????????????????Ep0OutputInterruptHandler()；??????????????????break；?????????????caseVECINT_INPUT_ENDPOINT0：??????????????????bVECINT=0x00；??????????????????Ep0InputInterruptHandler()；??????????????????break；?????????????caseVECINT_OUTPUT_ENDPOINT1：??????????????????bVECINT=0x00；??????????????????Ep1OutputInterruptHandler()；??????????????????break；?????????????caseVECINT_INPUT_ENDPOINT1：??????????????????bVECINT=0x00；????????Ep1InputInterruptHandler()；??????????????????break；?????????????caseVECINT_SETUP_PACKET_RECEIVED：????????????????SetupPacketInterruptHandler()；????????????????bUSBSTA=USBSTA_SETUP；??????????????????bVECINT=0x00；??????????????????break；?????????????default：break；//不知道中斷ID??????}??????EA=ENABLE；//開(kāi)中斷}3.2主機(jī)軟件設(shè)計(jì)筆者首先開(kāi)發(fā)TUSB3210在主機(jī)中的驅(qū)動(dòng)程序。用WinDK3.0開(kāi)發(fā)了Win2000下的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)。HANDLEm_hUsbSample；??//USB句柄m_hUsbSample=CreateFile(″\.USBSampl0″，GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL)；??????????????????????????????????????????//打開(kāi)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，&length，NULL);???????????????????????????????????????????????????//批量輸入傳輸CloseHandle(m_hUsbSample)；????????