基于USB接口的便攜式信號采集器

0 引言
    在高速信號采集設(shè)備中，高速采集和實時數(shù)據(jù)的存儲是一對固有矛盾。特別是在一些強調(diào)便捷性的場合中，這個問題愈發(fā)突出。該問題與設(shè)備接口、數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)和控制方式三個方面相關(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，不易實現(xiàn)。USB 2．O傳輸速度可達480MSPS，支持即插即用，方便快捷，通用性強。數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)多采用硬盤。硬盤具有體積大，容量大的特點。然而NAND FLASH具有體積小，速度快，操作方便的優(yōu)點。
    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。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。采取間斷性的采集方式能夠很好地解決高速采集與實時數(shù)據(jù)存儲之間的固有矛盾。

1 采集設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計
    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)存儲單元、總控制單元、系統(tǒng)的電源設(shè)計。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位的二進制補碼數(shù)據(jù)。芯片支持差分模擬信號的輸入，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，因此需要先對數(shù)據(jù)進行緩沖后才能將數(shù)據(jù)不丟失存儲；又因為要滿足最高采集1 MB的連續(xù)模擬信號，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，存取時間為10 ns，單片容量為1 MB，故滿足了這個要求。
1．3 數(shù)據(jù)存儲單元
    按便攜式采集不能采用磁介質(zhì)存儲設(shè)備，同時還需要較存儲容量，因SAMSUNG公司的K9K8G08UOA芯片作為存儲芯片具有體積小，重量輕，單片容量8 Gb等特點。并且可以更換為單片64 Gb的NAND FLASH芯片實現(xiàn)目前8倍存儲容量的升級，故采用它。
1．4 USB傳輸單元
    采用USB接口進行數(shù)據(jù)傳輸具有方便、靈活的特點。采用CY7C68013 USB控制芯片容易實現(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作為采集存儲的控制核心，型號為EPC2C8208?？偪刂茊卧撠?zé)控制協(xié)調(diào)模／數(shù)轉(zhuǎn)換單元、緩存單元、數(shù)據(jù)存儲單元以及USB傳輸單元之間的數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)系統(tǒng)的整體設(shè)計功能。
1．6 系統(tǒng)的電源設(shè)計
    在整個系統(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；兩種工作模式獨立工作方式來降低系統(tǒng)復(fù)雜度，采集模式在采集控制按鍵按下后開始信號采集，數(shù)據(jù)存儲完成后進行LED報警表示采集完成；數(shù)據(jù)導(dǎo)入模式中存儲的數(shù)據(jù)從FLASH中向計算機中導(dǎo)入，導(dǎo)入完成后提示。
    采用SRAM和FLASH雙乒乓的方式進行工作模式，系統(tǒng)實現(xiàn)最大的信號的吞吐率。圖2，圖3分別為2種工作模式的流程。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
    軟件部分分為FPGA讀／寫FLASH及SRAM軟件模塊、CY7C68013進行USB傳輸軟件模塊、人機接口上位機軟件模塊三個部分。
3．1 FPGA讀／寫FLASH及SRAM軟件模塊
    該功能利用VHDL語言產(chǎn)生，模塊主要由SRAM讀／寫、FLASH讀／寫及讀／寫切換3個部分組成。時序如圖4所示。

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3．2 CY7C68013固件程序模塊
    固件程序主要負責(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 上位機軟件模塊
    本設(shè)計中上位機的應(yīng)用程序利用VC++6．0來開發(fā)，它通過驅(qū)動程序完成對外設(shè)的控制和通信，當程序啟動后，自動查詢是否有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)，然后通過該句柄用DeviceIOControl()系統(tǒng)函數(shù)向驅(qū)動程序發(fā)送控制字。驅(qū)動程序根據(jù)控制字向硬件層發(fā)送IRQ并與設(shè)備通信。

4 實際效果
   該測試時鐘和信號均由信號源輸入。采集完畢后通過USB將數(shù)據(jù)上傳到電腦，并用Matlab進行波形顯示。
    圖6給出輸入信號頻率分別為1 MHz和80 MHz時實際采樣存儲后的仿真波形，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，因為輸入信號頻率的變化引起傳輸通路阻抗的改變，從而使實際A／D輸入端的電壓發(fā)生變化，所以數(shù)值不同。

5 結(jié)語
    經(jīng)過最終測試，該系統(tǒng)最高采樣率為80 MHz。能夠采集存儲20 MHz的正弦波信號。對1 MHz以下信號采樣不丟失。2G BYTE的數(shù)據(jù)存儲，靈活的通過USB接口上傳到電腦上，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析。并且體積輕小、便于攜帶。系統(tǒng)在設(shè)計之初考慮了系統(tǒng)的可擴展性?？蓴U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，就可以實現(xiàn)兩路的乒乓FLASH存儲，這樣采集及存儲的效率還會提高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代替，可進一步提高存儲容量。