基于USB的高精度多通道數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

摘要：詳細(xì)敘述了用USB控制器CY7C68013與A／D轉(zhuǎn)換器ADS8364，構(gòu)成高精度多路同步數(shù)據(jù)采集卡的過程，并給出了相應(yīng)的前端電路和FPGA的控制流程。數(shù)據(jù)采集卡通過USB協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院筒杉ǖ耐ㄓ眯?。ADS8364可以進(jìn)行6通道高精度的數(shù)據(jù)采集，符合大部分的數(shù)據(jù)采集要求。通過運(yùn)用FPGA對(duì)數(shù)據(jù)采樣，傳輸?shù)冗M(jìn)行控制，并在傳輸過程中進(jìn)行一些基本的數(shù)據(jù)處理。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；USB；A／D；FPGA

    在電子測(cè)量中，不僅需要對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行高精度的采集和預(yù)處理，而且要將其快速地傳送到計(jì)算機(jī)，以便于對(duì)測(cè)量的監(jiān)測(cè)。文中選用ADS8364來進(jìn)行多通道信號(hào)采集，通過CY7C68013芯片采用USB2．O協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速傳輸。

1 多通道，高精度的A／D轉(zhuǎn)換
    ADS8364是美國TI公司生產(chǎn)的高速、低功耗，6通道同步采樣16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS8364采用+5 V工作電壓，并帶有80 dB共模抑制的全差分輸入通道以及6個(gè)4μs連續(xù)近似的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6個(gè)差分采樣放大器。
    當(dāng)ADS8364采用5 MHz的外部時(shí)鐘來控制轉(zhuǎn)換時(shí)，它的取樣率是250 kHz，同時(shí)對(duì)應(yīng)于4μs的最大吞吐率，這樣，采樣和轉(zhuǎn)換共需花費(fèi)20個(gè)時(shí)鐘周期。另外，當(dāng)外部時(shí)鐘采用5 MHz時(shí)，ADS8364的轉(zhuǎn)換時(shí)間是3．2μs，對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間是0．8μs。因此，為了得到最大的輸出數(shù)據(jù)率，讀取數(shù)據(jù)可以在下一個(gè)轉(zhuǎn)換期間進(jìn)行。
    ADS8364中的采樣／保持模塊以最大吞吐率250 kB工作，它的輸入帶寬大于ADC的奈奎斯特頻率。而典型的小信號(hào)帶寬是300 MHz?？讖窖舆t時(shí)間為5 ns，每次的平均增量為5 ops。這些特性反映了ADS8364接收輸人信號(hào)的能力。
1．1 A／D前端信號(hào)調(diào)理電路
    鑒于多通道信號(hào)采集的時(shí)序的重要性，這里選用差分放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。
    采用TI公司的運(yùn)算放大器OPA2227組成一個(gè)電壓放大器，將輸入電壓轉(zhuǎn)換到ADS8364的差分輸入電壓范圍。根據(jù)需要，可以通過調(diào)整放大電路中電阻的大小，改變輸入電壓的范圍，其對(duì)應(yīng)的參數(shù)表如表1所示。

    ADS8364在參考電壓為2．5 V的情況下，其測(cè)量范圍為±1．25 V。而實(shí)際中的測(cè)試信號(hào)一般為±2．5 V，±5 V或±lO V，所以，在ADS8364的前端，要經(jīng)過線性衰減、限幅和濾波。其調(diào)理電路原理圖，如圖1所示。

1．2 A／D電源電路
    數(shù)據(jù)采集電路需要完成高精度的數(shù)據(jù)采集，因此電源部分的設(shè)計(jì)是相對(duì)比較重要的。
    在作進(jìn)一步的分析之前，需要說明采樣精度和有效位都是對(duì)采樣質(zhì)量高低的描述。設(shè)采樣精度為vp，有效位為N，基準(zhǔn)電壓為vREF，基準(zhǔn)電壓噪聲電平為VN，則有

2 USB接口模塊設(shè)計(jì)
    Cypress Semiconductor公司的EZ-USB FX2是世界上的第一款集成USB2．0的微處理器，它集成了USB2．0收發(fā)器、SIE(串行接口引擎)、增強(qiáng)型8051微控制器和可編程的外圍接口。FX2這種獨(dú)創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到56 MB·s-1，即USB2．0允許的最大帶寬。EZ-USB FX2 CY7C68013的微處理器是一個(gè)增強(qiáng)型的805l內(nèi)核，性能可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)8051的5～10倍，并與標(biāo)準(zhǔn)805l的指令完全兼容。增強(qiáng)型的8051內(nèi)核使用RAM芯片作程序指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而使得EZ-USB FX2 CY7C68013具有“軟”特性，也就是說，可以通過自行編寫程序指令來實(shí)現(xiàn)所需的功能。

    由于USB通信是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要的任務(wù)目標(biāo)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)也充分考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，所有的信號(hào)引腳都有排線引出，方便了測(cè)試和擴(kuò)展。

3 FPGA邏輯電路
    圖4為采集傳輸系統(tǒng)中FPGA與各模塊的連接。

    整個(gè)電路選用Altera公司推出的新一代低成本的Cyclone系列FPGA器件EPlC6Q240作為控制和信號(hào)處理芯片。EPlC6Q240型FPGA芯片具有強(qiáng)大的硬件邏輯功能，總邏輯單元達(dá)5 980個(gè)，有I／O引腳181個(gè)，92 160位的內(nèi)部存儲(chǔ)單元，20個(gè)RAM單元，2個(gè)鎖相環(huán)。利用這些強(qiáng)大的功能，可以很容易進(jìn)行模塊控制和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)濾波。如圖4所示，通過FPGA對(duì)A／D進(jìn)行采樣控制，將A／D采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后傳送到RAM中進(jìn)行，或是直接通過USB模塊將數(shù)據(jù)床送到電腦中進(jìn)行處理。
    采用VerilogHDL硬件語言編程來對(duì)A／D采集，RAM傳輸，USB傳輸?shù)冗M(jìn)行控制信號(hào)輸出，并對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。
    A／D數(shù)據(jù)接口模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS8364數(shù)據(jù)的采樣，采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。本模塊對(duì)ADS8364的控制引腳有：
    (1)模擬采樣通道控制信號(hào)為／HOLDA，／HOLDB，／HOLDC；
    (2)數(shù)據(jù)輸出模式以及通道選擇信號(hào)為A0，A1和A2；
    (3)讀控制信號(hào)為／RD。

    首先將5 MHz時(shí)鐘和使能信號(hào)相與產(chǎn)生新時(shí)鐘，使用該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)一個(gè)20個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)。在計(jì)數(shù)器值為15時(shí)將HOLDa，HOLDb，HOLDc置0，啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采樣。在計(jì)數(shù)值為2～3，4～5，6～7，8～9，10～ll，12～13且相應(yīng)的通道得到使能時(shí)，分別發(fā)出通道l至通道6的通道地址。在計(jì)數(shù)值為3，5，7，9，ll，13時(shí)發(fā)出讀信號(hào)讀取相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)。在計(jì)數(shù)值為15時(shí)發(fā)出采樣完畢信號(hào)，指示6通道數(shù)據(jù)已經(jīng)采集完畢。
    USB控制電路分兩個(gè)模塊完成。模塊1實(shí)現(xiàn)主機(jī)向FPGA寄存器單元的配置，模塊2實(shí)現(xiàn)FPGA向主機(jī)的數(shù)據(jù)包輸出。

    模塊1實(shí)現(xiàn)在地址IO模式下向寄存器寫數(shù)據(jù)。寫時(shí)序如圖7所示?？梢愿鶕?jù)地址線和PWR信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)某寄存器的寫控制。

    模塊2實(shí)現(xiàn)在DMA模式下FPGA向主機(jī)的批量數(shù)據(jù)傳輸。同步DMA的時(shí)序圖如圖8所示(時(shí)鐘由FPGA提供)。

    本系統(tǒng)使用一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)該功能，狀態(tài)機(jī)在“查找”和“傳輸”兩個(gè)狀態(tài)之間切換。系統(tǒng)啟動(dòng)以后首先進(jìn)入查詢FIFO的狀態(tài)，在查詢到FIFO中的數(shù)據(jù)量大于一個(gè)USB數(shù)據(jù)包(2 040 bit)時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入到“傳輸”狀態(tài)。在“傳輸”狀態(tài)下，按照上述同步。DMA寫時(shí)序，首先傳輸6 bit包頭，然后傳輸2 040 bit數(shù)據(jù)，最后傳輸2 bit數(shù)據(jù)校驗(yàn)。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，電路要一直查詢DMAING的狀態(tài)，檢測(cè)到：DMAING為低時(shí)要暫停數(shù)據(jù)傳輸。在傳輸完2 kB數(shù)據(jù)后，狀態(tài)機(jī)再轉(zhuǎn)入到“查詢”狀態(tài)，進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。
    系統(tǒng)當(dāng)前的工作時(shí)鐘為20 MHz，在USB接口處可以達(dá)到的最大帶寬約為10 MB，系統(tǒng)分頻給A／D的時(shí)鐘為5 MHz，這樣可以保證A／D接口的最大帶寬達(dá)到3 MB。在Flash接口處的帶寬約為5 MB。將時(shí)鐘速度提升l倍，則USB口的傳輸能力可以達(dá)到約20 MB。
    數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存模塊主要是FPGA將高速A／D采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、暫存。本套電路中使用了一片由，TI公司生產(chǎn)的高速靜態(tài)RAM IS61-LV51216作為數(shù)據(jù)暫存器件；由FPGA對(duì)這片RAM存儲(chǔ)器進(jìn)行監(jiān)控。

4 結(jié)束語
    采用USB協(xié)議的數(shù)據(jù)采集卡可以滿足對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道的高精度采集、處理和傳輸，在數(shù)據(jù)有效采集的情況下，擺脫了對(duì)端口的依賴。