USB接口多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在LABVIEW平臺的設計

引言

　　在日常的測試測量中，經(jīng)常使用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。但是很多數(shù)據(jù)采集卡往往通過PCI總線完成數(shù)據(jù)的傳輸，它有諸多弊端，例如操作不便，受限于計算機插槽數(shù)量和中斷資源，現(xiàn)場信號對計算機安全有威脅，計算機內(nèi)部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響，最耗時最復雜的數(shù)據(jù)分析卻由用戶通過第三方軟件(如VC，VB等) 在PC機上編寫上位機軟件來完成，因此用戶不得不在這方面花費大量精力。這些問題都遏制了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進一步開發(fā)和應用，因此迫切需要設計一種更為簡便通用的高速數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)采集以及與計算機的數(shù)據(jù)交互。

　　近年來通用串行總線(USB)以即插即用等技術優(yōu)勢得到了廣泛的應用，INTEL等公司最近公布了USB 3.0主控制器規(guī)范，該標準的數(shù)據(jù)傳輸速率有望達5Gbps，且支持雙向同時傳輸，完全可以滿足實時數(shù)據(jù)采集的要求。LABVIEW是美國NI公司基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，集開發(fā)、調(diào)試、運行于一體，其交互式的Express VI 易與各種范圍的I/O信號連接，可以非常容易地與各種主流的現(xiàn)場總線通信以及與大多數(shù)通用數(shù)據(jù)庫鏈接，大大簡化了開發(fā)進程。如果根據(jù)DSP本身的特點，把DSP集成到采集卡上，并把數(shù)據(jù)采集和部分數(shù)據(jù)處理工作留給DSP來完成，然后計算機再利用LABVIEW強大的數(shù)據(jù)處理顯示功能，這無疑將大大提高測量速度和精度。

　　系統(tǒng)總體設計方案

　　本文提出了一種基于LABVIEW的USB接口高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計，充分利用DSP豐富的片上外設以及高性能的數(shù)字信號處理能力，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP處理后通過高速USB接口傳輸?shù)絇C機上，通過LABVIEW軟件按照用戶的特定要求來處理并顯示。

　　TMS320F2812型DSP芯片是TI公司推出的具有高速處理能力的高精度32位定點數(shù)字信號控制器，指令速度高達150MIPS，片內(nèi)集成了模數(shù)轉換器(A/D轉換器)、脈寬調(diào)制電路、捕獲單元、光電編碼器、串行外設接口等模塊，為進一步拓展DSP的應用領域提供了豐富的資源。本設計采用TMS320F2812芯片(DSP)作為數(shù)據(jù)采集與控制單元，以CYPRESS公司的高速USB接口芯片CY7C68001為基礎，利用DSP片上A/D轉換器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后把數(shù)據(jù)通過USB總線傳輸至PC機，PC機接收到數(shù)據(jù)后按照用戶的要求通過LABVIEW處理并顯示數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要有三部分組成：4通道被測信號調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集控制處理部分和上位機控制面板部分，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)硬件設計

　　信號調(diào)理模塊

　　由于被測輸入信號范圍為-15V~+15V，而DSP片上高速A/D轉換器要求輸入信號必須為0～3V,所以需要對被測信號進行調(diào)理。

　　信號調(diào)理模塊主要由高速運算放大器AD8028組成。很多運放都有這樣一個特點：當輸入信號接近門檻電壓時，輸出從一個差分對到另一個差分對變換時會產(chǎn)生失真，再加上信號調(diào)理模塊對輸入信號衰減的比例很大，如果設計不當誤差會更大，因此運放的選擇非常關鍵。AD8028是Analog Devices公司的軌到軌輸入輸出的高速運算放大器，工作電壓2.7V-12V，共模抑制比110dB,帶寬190MHz，壓擺率100V/μS，它有一個突出的優(yōu)點：即允許用戶通過片上特定的引腳選擇門檻電壓，這無疑大大減小了失真，因此AD8028是一個理想的選擇，其單通道信號調(diào)理模塊電路圖如圖2所示。

　　數(shù)據(jù)采集模塊

　　DSP片上ADC模塊是可配置為2個獨立的8通道模塊、也可以級聯(lián)構成一個16通道的帶流水線的12位ADC，最高采樣速率12.5MHz，流水線轉換時間是80ns，單次轉換時間是200ns。該模塊主要由前向模擬多路復用開關、采樣/保持電路、變換內(nèi)核、結果寄存器、排序器、電壓參考等部分組成，ADC模塊的功能框圖如圖3所示。

　　USB從接口CY7C68001模塊

　　CY7C68001集成有USB2.0收發(fā)器（物理層）、USB2.0串行接口引擎SIE（鏈路層）、4kB的FIFO和電壓調(diào)節(jié)器、鎖相環(huán)，支持高速（480Mb/s）或全速（12Mb/s）傳輸，3.3V操作電壓，具有同步與異步的FIFO接口，支持USB2.0協(xié)議要求的全部4種傳輸方式（控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸），可以滿足用戶對各種數(shù)據(jù)傳輸方式的需求。片上的串行接口處理器（SIE）能完成大部分的USB協(xié)議操作，使用戶可以擺脫復雜的協(xié)議細節(jié)，簡化用戶配置代碼，加快程序開發(fā)過程。但是由于不帶MCU內(nèi)核，所以USB應用層協(xié)議應該由DSP編程實現(xiàn)，USB固件的加載必須靠DSP控制來完成。