基于USB總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
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關(guān)鍵詞：ＵＳＢ；數(shù)據(jù)采集；ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２；ＧＰＩＦ
１ 引言
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。目前比較通用的是在ＰＣ或工控機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡（如Ａ／Ｄ卡及４２２、４８５卡）。但這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在以下缺陷：安裝麻煩、價(jià)格昂貴、受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴(kuò)展性差，同時(shí)在一些電磁干擾性強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，可能無法專門對(duì)其作電磁屏蔽，從而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。
傳統(tǒng)的外設(shè)與主機(jī)的通訊接口一般是基于ＰＣＩ總線、ＩＳＡ總線或者是ＲＳ－２３２Ｃ串行總線。ＰＣＩ總線雖然具有較高的傳輸速度（１３２Ｍｂｐｓ），并支持“即插即用”功能，但其缺點(diǎn)是插拔麻煩，且擴(kuò)展槽有限（一般為５～６個(gè)），ＩＳＡ總線顯然存在同樣的問題。ＲＳ－２３２Ｃ串行總線雖然連結(jié)簡(jiǎn)單，但其傳輸速度慢（５６ｋｂｐｓ），且主機(jī)的串口數(shù)目也有限。
通用串行總線（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ，簡(jiǎn)稱ＵＳＢ）是１９９５年康柏、微軟、ＩＢＭ、ＤＥＣ等公司為了解決傳統(tǒng)總線的不足，而推出的一種新型串行通信標(biāo)準(zhǔn)。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。基于ＵＳＢ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用ＵＳＢ總線的上述優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺陷。ＵＳＢ的規(guī)范能針對(duì)不同的性能價(jià)格比要求提供不同的選擇，以滿足不同的系統(tǒng)和部件及相應(yīng)不同的功能，從而給使用帶來極大方便。
２ 系統(tǒng)介紹
２．１ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能
常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖１所示。其中數(shù)據(jù)采集接口卡是硬件部分的核心，它包括Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、微控制器、ＵＳＢ通信接口等。
在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中?由于現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)是高頻模擬信號(hào)，因而信號(hào)的變化范圍都比較大?如果采用單一的增益放大?那么放大以后的信號(hào)幅值有可能超過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的量程?所以必須根據(jù)信號(hào)的變化相應(yīng)地調(diào)整放大器的增益。在自動(dòng)化程度較高的系統(tǒng)中?希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益?ＡＤ８３２１正是這樣一種具有增益可編程功能的芯片。ＡＤ８３２１是美國ＡＤ公司生產(chǎn)的一種增益可編程線性驅(qū)動(dòng)器。它具有頻帶寬、噪聲低、增益可編程且易于與單片機(jī)進(jìn)行串行通信等優(yōu)點(diǎn)，十分適合在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中做前置放大。
經(jīng)過調(diào)理后的信號(hào)可送入模／數(shù)變換器（ＡＤＣ）進(jìn)行Ａ／Ｄ變換。筆者選用的ＡＤＣ是ＴＬＣ５５４０，它是一種高速８位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能以高達(dá)每秒４０Ｍ的采樣速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于采用半閃速結(jié)構(gòu)和ＣＭＯＳ工藝制造，因此功耗和成本很低。其７５ＭＨｚ（典型值）的模擬輸入帶寬使該器件成為欠采樣應(yīng)用的良好選擇。該器件帶有內(nèi)部電阻，可用于從５Ｖ電源產(chǎn)生２Ｖ滿度的基準(zhǔn)電壓，以減少外部元件數(shù)。數(shù)字輸出置于高阻方式。它僅需要５Ｖ電源工作，可由ＵＳＢ總線供電。
由于數(shù)據(jù)采集接口卡是硬件部分的核心，因此應(yīng)選擇能適用ＵＳＢ協(xié)議的合適芯片。ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２是一種ＵＳＢ２．０集成微控制器。它的內(nèi)部集成了ＵＳＢ２．０收發(fā)器、串行接口引擎（ＳＩＥ）、增強(qiáng)的８０５１微控制器和一個(gè)可編程的串行接口。其主要特性如下：
●帶有加強(qiáng)的８０５１內(nèi)核性能，可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)８０５１的５～１０倍，且與標(biāo)準(zhǔn)８０５１的指令完全兼容；
●集成度高，芯片內(nèi)部集成有微處理器、ＲＡＭ、ＳＩＥ（串行接口引擎）等多個(gè)功能模塊，從而減少了多個(gè)芯片接口部分需要時(shí)序配合的麻煩；
●采用軟配置，在外設(shè)未通過ＵＳＢ接口接到ＰＣ機(jī)之前，外設(shè)上的固件存儲(chǔ)在ＰＣ上；而一旦外設(shè)連接到ＰＣ機(jī)上，ＰＣ則先詢問外設(shè)是“誰”（即讀設(shè)備描述符），然后將該外設(shè)的固件下載到芯片的ＲＡＭ中，這個(gè)過程叫做再枚舉。這樣，在開發(fā)過程中，當(dāng)固件需要修改時(shí)，可以先在ＰＣ機(jī)上修改好，然后再下載到芯片中；
●具有易用的軟件開發(fā)工具，該芯片開發(fā)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序和固件的開發(fā)和調(diào)試相互獨(dú)立，可加快開發(fā)的速度。
圖2 USB接口示意圖
２．２ 方案選擇
ＦＸ２有三種可用的接口模式：端口、ＧＰＩＦ主控和從ＦＩＦＯ。
在“端口”模式下，所有Ｉ／Ｏ引腳都可作為８０５１的通用Ｉ／Ｏ口。
在“從ＦＩＦＯ”模式下，外部邏輯或外部處理器直接與ＦＸ２端點(diǎn)ＦＩＦＯ相連。在這種模式下，ＧＰＩＦ不被激活，因?yàn)橥獠窟壿嬁芍苯涌刂疲疲桑疲?。這種模式下，外部主控端既可以是異步方式，也可以是同步方式，并可以為ＦＸ２接口提供自己的獨(dú)立時(shí)鐘。
“ＧＰＩＦ主控”接口模式使用ＰＯＲＴＢ和ＰＯＲＴＤ構(gòu)成通向四個(gè)ＦＸ２端點(diǎn)ＦＩＦＯ（ ＥＰ２? ＥＰ４? ＥＰ６和ＥＰ８）的１６位數(shù)據(jù)接口。ＧＰＩＦ作為內(nèi)部的主控制器與ＦＩＦＯ直接相連，并產(chǎn)生用戶可編程的控制信號(hào)與外部接口進(jìn)行通信。同時(shí)，ＧＰＩＦ還可以通過ＲＤＹ引腳采樣外部信號(hào)并等待外部事件。由于ＧＰＩＦ的運(yùn)行速度比ＦＩＦＯ快得多，因此其時(shí)序信號(hào)具有很好的編程分辨率。另外，ＧＰＩＦ既可以使用內(nèi)部時(shí)鐘，也可以使用外部時(shí)鐘。故此，筆者選擇了ＧＰＩＦ模式。
高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)存在兩大難點(diǎn)：一是模擬信號(hào)的Ａ／Ｄ高速轉(zhuǎn)換；二是變換后數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)及提取。對(duì)于第一個(gè)問題，由于制造ＡＤＣ的技術(shù)不斷進(jìn)步，這個(gè)問題已經(jīng)得到解決。而對(duì)于第二個(gè)問題，一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后再對(duì)其進(jìn)行處理。對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集而言，這種方式將嚴(yán)重影響采集速度，且存儲(chǔ)值也會(huì)受到很大限制。而改進(jìn)方案是將Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接送至計(jì)算機(jī)內(nèi)存，這樣，采集速度將大大提高，而且可存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，以便于下一步的處理。
為了解決同步問題，可以由ＣＰＬＤ產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號(hào)提供給ＡＤＣ和ＦＸ２。在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，ＣＰＬＤ同時(shí)還可用于產(chǎn)生不同的控制信號(hào)，以便對(duì)采樣進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。ＣＰＬＤ是復(fù)雜可編程邏輯器件，它包括可編程邏輯宏單元、可編程Ｉ／Ｏ單元和可編程內(nèi)部連線。由于ＣＰＬＤ的內(nèi)部資源豐富，因而可廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制、通訊等各個(gè)領(lǐng)域。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，筆者選用的ＣＰＬＤ是Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ｉｓｐＬＳＩ１０１６。圖２所示是其整個(gè)ＵＳＢ接口卡的硬件電路圖。
３ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件主要包括ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、設(shè)備固件和應(yīng)用程序。
３．１ 設(shè)備固件（Ｆｉｒｍｗａｒｅ）設(shè)計(jì)
設(shè)備固件是設(shè)備運(yùn)行的核心，可采用匯編語言或Ｃ語言設(shè)計(jì)。其主要功能是控制ＣＹ７Ｃ６８０１３接收并處理ＵＳＢ驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求（如請(qǐng)求設(shè)備描述符、請(qǐng)求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)，請(qǐng)求或設(shè)置設(shè)備接口等ＵＳＢ２．０標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求）、控制芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３接收應(yīng)用程序的控制指令、控制Ａ／Ｄ模塊的數(shù)據(jù)采集、通過ＣＹ７Ｃ６８０１３緩存數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳至ＰＣ等。
即使外部邏輯或內(nèi)置的普通可編程接口(ＧＰＩＦ)在沒有ＣＰＵ的任何干涉下能夠通過四個(gè)大的端點(diǎn)ＦＩＦＯ來處理高速寬帶數(shù)據(jù)，固件還是有如下固定的工作：
●配置端點(diǎn)；
●通過控制端點(diǎn)零來響應(yīng)主機(jī)請(qǐng)求；
●控制和監(jiān)測(cè)ＧＰＩＦ的活動(dòng)；
●利用ＵＳＡＲＴ處理所有的特殊請(qǐng)求任務(wù)，如計(jì)時(shí)器、中斷、Ｉ／Ｏ引腳等。
３．２ ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)
ＵＳＢ系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序采用分層結(jié)構(gòu)模型?分別為較高級(jí)的ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和較低級(jí)的ＵＳＢ函數(shù)層。其中ＵＳＢ函數(shù)層由兩部分組成：較高級(jí)的通用串行總線驅(qū)動(dòng)程序模塊（ＵＳＢＤ）和較低級(jí)的主控制器驅(qū)動(dòng)程序模塊（ＨＣＤ）。
在上述ＵＳＢ分層模塊中，ＵＳＢ函數(shù)層（ＵＳＢＤ及ＨＣＤ）由Ｗｉｎｄｏｗｓ提供，負(fù)責(zé)管理ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和ＵＳＢ控制器之間的通信；加載及卸載ＵＳＢ驅(qū)動(dòng)程序；與ＵＳＢ設(shè)備通用端點(diǎn)（ｅｎｄｐｏｉｎｔ）建立通信并執(zhí)行設(shè)備配置、數(shù)據(jù)與ＵＳＢ協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務(wù)。目前?Ｗｉｎｄｏｗｓ提供有多種ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但并不針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此需采用ＤＤＫ開發(fā)工具來設(shè)計(jì)專用的ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)由初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊以及Ｉ／Ｏ功能等四個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)。
初始化模塊可提供一個(gè)ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ入口點(diǎn)以執(zhí)行大量的初始化函數(shù)。
即插即用管理模塊用來實(shí)現(xiàn)ＵＳＢ設(shè)備的熱插拔及動(dòng)態(tài)配置。當(dāng)硬件檢測(cè)到ＵＳＢ設(shè)備接入時(shí)，Ｗｉｎｄｏｗｓ查找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并調(diào)用它的ＤｒｉｖｅｒＥｎ-ｔｒｙ例程，同時(shí)告訴它添加了一個(gè)設(shè)備；然后，驅(qū)動(dòng)程序?yàn)椋眨樱略O(shè)備建立一個(gè)ＦＤＯ（功能設(shè)備對(duì)象）。在此處理過程中，驅(qū)動(dòng)程序收到一個(gè)ＩＲＰ ＭＮ ＳＴＡＲＴ ＤＥ-ＶＩＣＥ 的ＩＲＰ，在它之中包括有設(shè)備的資源信息。至此，設(shè)備被正確配置，驅(qū)動(dòng)程序開始與硬件進(jìn)行對(duì)話。當(dāng)然，在設(shè)備運(yùn)行過程中，如果設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化（拔除、暫停等），ＰｎＰ管理器也同樣發(fā)出相應(yīng)的ＩＲＰ，以便由驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。
電源管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的掛起與喚醒。
Ｉ／Ｏ功能實(shí)現(xiàn)模塊可完成Ｉ／Ｏ請(qǐng)求的大部分工作。當(dāng)應(yīng)用程序提出Ｉ／Ｏ請(qǐng)求時(shí)，它將調(diào)用Ｗｉｎ３２ ＡＰＩ函數(shù)ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ向設(shè)備發(fā)出命令，然后由Ｉ／Ｏ管理器構(gòu)造一個(gè)ＩＲＰ并設(shè)置其ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ．域?yàn)椋桑遥?ＭＪ ＤＥＶＩＣＥ ＣＯＮＴＲＯＬ。在ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序收到該ＩＲＰ后?它將取出其中的控制碼?并利用一個(gè)開關(guān)語句查找對(duì)應(yīng)的程序入口。
３．３ 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
應(yīng)用程序設(shè)計(jì)由兩個(gè)部分組成：動(dòng)態(tài)鏈接庫和應(yīng)用程序。動(dòng)態(tài)鏈接庫負(fù)責(zé)與內(nèi)核態(tài)的ＵＳＢ功能驅(qū)動(dòng)程序通信并接收應(yīng)用程序的各種操作請(qǐng)求，而應(yīng)用程序則負(fù)責(zé)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析和存盤。
動(dòng)態(tài)鏈接庫的工作原理如下：當(dāng)它收到應(yīng)用程序開始采樣的請(qǐng)求后，首先創(chuàng)建兩個(gè)線程：采樣線程和顯示存盤線程。采樣線程負(fù)責(zé)將采樣數(shù)據(jù)寫到應(yīng)用程序提交的內(nèi)存；而顯示存盤線程則負(fù)責(zé)給應(yīng)用程序發(fā)送顯示和存盤消息。當(dāng)應(yīng)用程序接收到此消息后，便從它提交的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并顯示和存盤。要注意的是：采樣線程和顯示存盤線程在讀寫應(yīng)用程序提交內(nèi)存時(shí)要保持同步。
ＰＣ機(jī)或工控機(jī)應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的中心?可采用Ｌａｂｖｉｅｗ編程。它是當(dāng)今國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，其特點(diǎn)如下：
（１） 能完成對(duì)固體表面速度的實(shí)時(shí)測(cè)量；
（２）主介面與多重窗口結(jié)合?可完成數(shù)據(jù)連續(xù)采集、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、信號(hào)波形顯示、被測(cè)參數(shù)輸出等綜合系統(tǒng)功能。
（３）能充分利用Ｌａｂｖｉｅｗ開發(fā)平臺(tái)和ＷＩＮＤＯＷＳ視窗所提供的良好操作環(huán)境?集曲線、圖形、數(shù)據(jù)于一體?可準(zhǔn)確描述過程參數(shù)的變化。
圖３所示是用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集通過Ｌａｂ-ｖｉｅｗ顯示的一個(gè)波形實(shí)例，其輸入信號(hào)是一個(gè)頻率為５ＭＨｚ的正弦波。
４ 結(jié)束語
隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，社會(huì)的數(shù)字化程度越來越高，數(shù)據(jù)采集也越來越重要，本系統(tǒng)是一種通用的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可用于生物電波、電子學(xué)頻譜、聲波分析等瞬態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和觀察等場(chǎng)合。其中基于ＵＳＢ總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有可靠性高、數(shù)據(jù)不丟失、抗干擾性強(qiáng)、便于數(shù)據(jù)傳輸和處理等優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的應(yīng)用前景和很大的實(shí)用價(jià)值。
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