基于USB 2.0的高速數(shù)據(jù)采集卡在虛擬儀器中的應(yīng)用

　　虛擬儀器，就是在通用計(jì)算機(jī)平臺上，用戶根據(jù)自己的需求定義和設(shè)計(jì)儀器的測試功能，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性能價格比、可操作性等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

　　本文將著重介紹一種新型優(yōu)良的下位機(jī)—基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集卡在虛擬儀器中的應(yīng)用。

　　本文重點(diǎn)分析的下位機(jī)即智能A/D，是虛擬儀器硬件設(shè)備中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。下位機(jī)通過特定接口接受來自上位機(jī)的指令并向上位機(jī)提供自身所處的狀態(tài)：在收到采集指令后，對傳感器發(fā)送的模擬電信號進(jìn)行A/D采樣以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號通過USB接口傳給上位機(jī)。

　　本系統(tǒng)的下位機(jī)支持2個通道的傳感器信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其最高采樣效率為120MHz，采樣轉(zhuǎn)換精度為8位，系統(tǒng)采用了一個內(nèi)含先進(jìn)先出(FIFO)內(nèi)存的USB2.0控制芯片，該內(nèi)存用于存放A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，使用FIFO可以有效地緩沖采集數(shù)據(jù)，減少頻繁的指令傳送，使上位機(jī)有更多的時間進(jìn)行其他處理，并且不容易丟失數(shù)據(jù)。該下位機(jī)可以編程控制采集頻率和采樣增益，具有較大的靈活性。

基于USB2.0的高速

數(shù)據(jù)采集卡

硬件系統(tǒng)

　　虛擬儀器硬件的核心部分是USB設(shè)備接口模塊，其功能是由硬件和軟件共同來完成的。USB接口示意圖如圖2所示。下面介紹一下主要功能模塊器件的選擇和功用。

ADC的選擇

　　本設(shè)計(jì)中選用了AD9059。該器件是8位單片雙通道ADC，具有高速、高性能、低功耗及易使用等特性，60MSPS的編碼速率和120MHz的最大功率模擬帶寬使其在多路數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中表現(xiàn)出優(yōu)秀的動態(tài)性能。大部分情況下，AD9059僅需要一個單極性的5V電源和一個編碼時鐘即能正常工作。編碼時鐘提供與TTL/CMOS兼容的邏輯數(shù)據(jù)輸出，并控制兩個A/D轉(zhuǎn)換通道同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。如長時間不需要采集數(shù)據(jù)，可啟動休眠模式使總功耗小于12mW。ADC的時鐘及控制信號等由CPLD提供。

CPLD的選擇

　　在高速數(shù)據(jù)采集卡中，時序復(fù)雜而且精細(xì)，可能會因?yàn)橐粋€門的時延，而導(dǎo)致整個硬件電路的失敗。所以在本設(shè)計(jì)中采用了CPLD來實(shí)現(xiàn)電路的數(shù)字控制功能。

　　CPLD主要任務(wù)是負(fù)責(zé)在EZ-USB FX2(即CY7C68013)處于Slave FIFO模式時實(shí)現(xiàn)讀/寫控制信號、時鐘、輸出使能、端點(diǎn)的選擇以及對放大器和ADC的控制等功能。?

　　基于CPLD容易開發(fā)升級的優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中，所有的數(shù)字電路部分，全部是在CPLD內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，本設(shè)計(jì)采用了Lattice公司的ISP1032芯片，所用的EDA軟件是Lattice公司的ispEXPERT系統(tǒng)，編程語言為ABEL語言。

　　經(jīng)過在實(shí)踐中檢驗(yàn)，在高速數(shù)據(jù)采集卡中，用ISP1032來實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電路功能，可以使高速數(shù)據(jù)采集卡工作穩(wěn)定，各方面性能良好。

信號調(diào)理模塊

　　在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中, 現(xiàn)場輸入信號是高頻的模擬信號，信號變化的范圍都比較大,如果采用單一的增益放大,那么放大以后的信號幅值有可能超過A/D轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號的變化相應(yīng)地調(diào)整放大器的增益。在自動化程度較高的系統(tǒng)中,希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益，經(jīng)過考慮本文選擇具有增益可編程功能的芯片—AD8321。該芯片具有頻帶寬、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)做前置放大。程控放大模塊的的控制字可在labview設(shè)定，再經(jīng)過USB接口由EZ-USB FX2傳給AD8321。