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。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
    軟件部分分為FPGA讀／寫(xiě)FLASH及SRAM軟件模塊、CY7C68013進(jìn)行USB傳輸軟件模塊、人機(jī)接口上位機(jī)軟件模塊三個(gè)部分。
3．1 FPGA讀／寫(xiě)FLASH及SRAM軟件模塊
    該功能利用VHDL語(yǔ)言產(chǎn)生，模塊主要由SRAM讀／寫(xiě)、FLASH讀／寫(xiě)及讀／寫(xiě)切換3個(gè)部分組成。時(shí)序如圖4所示。

3．2 CY7C68013固件程序模塊
    固件程序主要負(fù)責(zé)初始化工作并完成相應(yīng)的配置。其程序框架如圖5所示。

3．3 上位機(jī)軟件模塊
    本設(shè)計(jì)中上位機(jī)的應(yīng)用程序利用VC++6．0來(lái)開(kāi)發(fā)，它通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)外設(shè)的控制和通信，當(dāng)程序啟動(dòng)后，自動(dòng)查詢是否有EZ-USB設(shè)備連接，如果有，則用CreateFile()系統(tǒng)函數(shù)打開(kāi)此設(shè)備，獲得該設(shè)備在操作系統(tǒng)中的句柄(HANDLE)，然后通過(guò)該句柄用DeviceIOControl()系統(tǒng)函數(shù)向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送控制字。驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)控制字向硬件層發(fā)送IRQ并與設(shè)備通信。

4 實(shí)際效果
   該測(cè)試時(shí)鐘和信號(hào)均由信號(hào)源輸入。采集完畢后通過(guò)USB將數(shù)據(jù)上傳到電腦，并用Matlab進(jìn)行波形顯示。
    圖6給出輸入信號(hào)頻率分別為1 MHz和80 MHz時(shí)實(shí)際采樣存儲(chǔ)后的仿真波形，2幅圖的輸入電壓幅度相同(-0．5～+0．5 V)，采樣后的數(shù)值大小不同，因?yàn)檩斎胄盘?hào)頻率的變化引起傳輸通路阻抗的改變，從而使實(shí)際A／D輸入端的電壓發(fā)生變化，所以數(shù)值不同。

5 結(jié)語(yǔ)
    經(jīng)過(guò)最終測(cè)試，該系統(tǒng)最高采樣率為80 MHz。能夠采集存儲(chǔ)20 MHz的正弦波信號(hào)。對(duì)1 MHz以下信號(hào)采樣不丟失。2G BYTE的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，靈活的通過(guò)USB接口上傳到電腦上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析。并且體積輕小、便于攜帶。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初考慮了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性?？蓴U(kuò)充為2片16位的SRAM和4片NANDFLASH芯片，這樣只要在軟件方面修改，就可以實(shí)現(xiàn)兩路的乒乓FLASH存儲(chǔ)，這樣采集及存儲(chǔ)的效率還會(huì)提高1倍。并且如果將板上的NAND FLASH用同一系列的更大容量芯片來(lái)代替，可進(jìn)一步提高存儲(chǔ)容量。