USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，在瞬態(tài)信號(hào)測量、圖像處理等一些高速、高精度的測量中，需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，存在以下缺點(diǎn)：安裝麻煩；價(jià)格昂貴；受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差；在一些電磁干擾性強(qiáng)的測試現(xiàn)場，無法專門對(duì)其做電磁屏蔽，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。

通用串行總線USB是1995年康柏、微軟、IBM、DEC等公司為解決傳統(tǒng)總線不足而推廣的一種新型的通信標(biāo)準(zhǔn)。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/USB">USB的高速數(shù)據(jù)采集卡充分利用USB總線的上述優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。

1 USB數(shù)據(jù)采集卡原理

1.1 USB簡介

通用串行總線適用于凈USB外圍設(shè)備連接到主機(jī)上，通過PCI總線與PC內(nèi)部的系統(tǒng)總線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。同時(shí)USB又是一種通信協(xié)議，支持主系統(tǒng)與其外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。USB器件支持熱插拔，可以即插即用。USB1.1支持兩種傳輸速度，既低速1.5Mbps和高速12Mbps，在USB2.0中其速度提高到480Mbps。USB具有四種傳輸方式，既控制方式（Control mode）、中斷傳輸方式（Interrupt mode）、批量傳輸方式（Bulk mode）和等時(shí)傳輸方式（Iochronous mode）。

考慮到USB傳輸速度較高，如果用只實(shí)現(xiàn)USB接口的芯片外加普通控制器（如8051），其處理速度就會(huì)很慢而達(dá)不到USB傳輸?shù)囊螅蝗绻捎酶咚傥⑻幚砥鳎ㄈ鏒SP），雖然滿足了USB傳輸速率，但成本較高。所以選擇了TI公司內(nèi)置USB接口的微控制器芯片TUSB3210，開發(fā)了具有USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡。

1.2 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)以TUSB3210為核心，負(fù)責(zé)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，控制FIFO的讀寫及采樣頻率的設(shè)定，與主機(jī)之間的通信及數(shù)據(jù)傳輸。

2 USB數(shù)據(jù)采集卡硬件

2.1 TUSB3210芯片

TUSB3210是TI公司推出的內(nèi)嵌8052內(nèi)核并帶有USB接口的微控制器芯片。TUSB3210有256字節(jié)的內(nèi)部RAM，8K字節(jié)的程序RAM，512字節(jié)的USB數(shù)據(jù)緩沖和端點(diǎn)描述塊EDB（Endpoint Descriptor Blocks），4個(gè)通用的GPIO端口P0、P1、P2、P3，I2C接口電路，看門狗電路等。

TUSB3210的USB接口符合USB1.1協(xié)議，有4個(gè)輸入端點(diǎn)（Input Endpoint）和4個(gè)輸出端點(diǎn)（Output End-Point），支持全速和低速傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸方式。TUSB3210的USB接口采用串行接口引擎（SIE）編碼和解碼串行數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行校驗(yàn)、位填充，執(zhí)行USB所需要的其他信號(hào)。這樣采用硬件完成USB協(xié)議，簡化了固件代碼的編制。

TUSB3210采用基于內(nèi)部RAM的解決方案，允許通過I2C總線從串行EEPROM中讀入固件或從主機(jī)中下載固件程序。這項(xiàng)功能便于設(shè)備的開發(fā)與在線升級(jí)。

2.2 A/D芯片MAX1449

MAX1449是MAXIM公司生產(chǎn)的10位、105MSPS、單3.3V電源、低功耗的高速A/D芯片。它采用差分輸入，帶有高寬帶采樣/保持（T/H）的10階段流水線（pipeline）型結(jié)構(gòu)的ADC，如圖2。采樣信號(hào)每半個(gè)時(shí)鐘周期通過一個(gè)流水線段，完成連續(xù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)輸出共需5.5個(gè)時(shí)鐘周期。每個(gè)流水線首先通過一個(gè)1.5位的閃速ADC對(duì)輸入電壓量化，由DAC產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于量化結(jié)果的電壓并與輸入電壓作差，輸出電壓放大2倍后送到下一級(jí)流水線處理。每級(jí)流水線提供1位的分辨率，并進(jìn)行差錯(cuò)校正，得到良好的線性和低失調(diào)。

MAX1449提供一個(gè)2.048V的精確帶隙基準(zhǔn)源，用來設(shè)定ADC滿量程范圍，也可以用外部基準(zhǔn)源改變量程范圍。MAX1449的最大差分輸入電壓范圍為2V。

2.3 輸入信號(hào)處理電路

MAX1449芯片的輸入信號(hào)為差分輸入時(shí)有最佳的采樣效果。在本系統(tǒng)中用TI的HTS4503作為單端輸入到差分輸出的轉(zhuǎn)換電路。THS4503高性能的全差分運(yùn)放，帶寬可達(dá)270MHz，具有非常好的線性，在100MHz下可支持11位的A/D轉(zhuǎn)換要求，適合作為A/D變換的前端接口電路。具體電路見圖3所示。

2.4 FIFO和時(shí)鐘發(fā)生電路

高速A/D變換的數(shù)據(jù)不能直接通過USB送入主機(jī)，系統(tǒng)中通過FIFO來緩沖數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用TI公司SN74V293芯片。它的容量為65536×18或131072×9，最快讀寫周期為6ns，可以滿足100MHz采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。用戶可以選擇輸入、輸出寬度，當(dāng)選擇輸入、輸出寬度為18時(shí)，可存儲(chǔ)64K×10位的數(shù)據(jù)。如果選擇輸入、輸出為9位，則可使存儲(chǔ)容量擴(kuò)大到128×9位，這樣對(duì)精度要求不高的用戶可以獲得更多數(shù)據(jù)。

SN74V293有獨(dú)立的讀寫時(shí)鐘控制電路，允許讀寫操作同時(shí)進(jìn)行。SN74V293內(nèi)部有滿、空、半滿輸出信號(hào)以及可編程設(shè)定的幾乎滿和幾乎空輸出信號(hào)，通過這些信號(hào)控制器可以靈活控制FIFO的讀寫操作。

對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，時(shí)鐘信號(hào)很重要。在本系統(tǒng)中選用DALLAS公司的DS1073時(shí)鐘芯片。DS1073是無需外部元件的頻率振蕩器。通過DALLAS獨(dú)有的1-wire技術(shù)，可以設(shè)定內(nèi)部的分頻器數(shù)值，實(shí)現(xiàn)輸出頻率從27.3kHz～100MHz可調(diào)，從而方便地改變采樣時(shí)鐘，簡化電路設(shè)計(jì)。MAX1449數(shù)據(jù)輸出時(shí)下降沿有效，而FIFO寫入時(shí)上升沿鎖存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中采用DS90LC028A實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的取反。

2.5 PCB板制作

由于是高速A/D采集，在制作PCB板時(shí)有一些需要注意的地方。電路板最好使用多層板，元件盡量選用表面封裝器件。這樣可以減小元器件之間的距離，減小寄生電感、寄生電容，同時(shí)減小電路板的尺寸。所有的旁路電容都要盡量靠近芯片的電源管腳。模擬公共地和數(shù)字公共地要分開，選一點(diǎn)通過低值表貼電阻（1～5Ω）、磁珠或直接連接，以免數(shù)字地電流干擾模擬地。電源最好用線性穩(wěn)壓電源，A/D和前端處理電路要用同一電源地輸出，減小電源波動(dòng)對(duì)采集的影響。

3 USB高速數(shù)據(jù)采集卡的軟件

開發(fā)一個(gè)USB設(shè)備，軟件設(shè)計(jì)是必不可少的。USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為三部分：USB外設(shè)端的固件（Firmware）、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用軟件。主機(jī)應(yīng)用軟件通過客戶驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)USBI（USB Device Interface）進(jìn)行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動(dòng)作；固件則響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。

3.1 USB接口編程

固件程序主要是實(shí)現(xiàn)USB通信。TUSB3210采用SIE來管理USB通信。當(dāng)主機(jī)與芯片進(jìn)行USB通信時(shí)，會(huì)產(chǎn)生外部中斷0，通過中斷矢量寄存器判斷。Setup_packed_Int、Input_endpoint0_Int、Output_endpoint0_Int這三個(gè)中斷主要用于與主機(jī)建立連接、進(jìn)行控制傳輸或中斷傳輸；Input_endpoint1_Int、Output_endpoint1_Int這兩個(gè)中斷主要在批量傳輸時(shí)使用。在固件中分別執(zhí)行不同的中斷程序來實(shí)現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)傳輸。

Void EX0_int(void) interrupt 0 //外部中斷0

{

EA=DISABLE; //關(guān)中斷

switch (bBECINT)(//確定中斷ID

case VECINT_OUTPUT_ENDPOINT0:

bVECFINT=0x00;

Ep0QutputInterruptHandler()；

break;

case VECINT_INPUT_ENDPOINT0:

bBECINT=0x00;

Ep0InputInterruptHandler()；

break；

case VECINT_OUTPUT_ENDPOINT1:

bVECINT=0x00;

Ep 1 OutputInterruptHandler();

Break;

case VECINT_INPUT_ENDPOINT1:

bVECINT=0x00;

Ep1InputInterruptHandler();

break;

case VECINT_SETUP_PACKET_RECEIVED:

SetupPacketInterruptHandler();

bUSBSTA=USBSTA_SETUP;

bVECINT=0x00;

break;

default:break; //不知道中斷ID

EA=ENABLE; //開中斷

}

3.2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

筆者首先開發(fā)TUSB3210在主機(jī)中的驅(qū)動(dòng)程序。用WinDK3.0開發(fā)了Win2000下的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)。

在應(yīng)用程序開發(fā)中，可用VC++編制應(yīng)用程序?？梢园裊SB設(shè)備當(dāng)成文件來操作，利用CreateFile得到USB句柄，用DeviceIoControl來進(jìn)行控制傳輸，用ReadFile、WriteFile進(jìn)行批量傳輸。程序?qū)嵗缦拢?/P>

HANDLE m_hUsbSample； //USB句柄

m_hUsbSample=CreateFile(\.USBSampl0，GENERIC_READ|

GENERIC_WRITE，F(xiàn)ILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE，NULI，OPEN_EXISTING，0，NULL）； //打開USB句柄

DeviceIoControl(m_hUsbSample,IOCTL_USBSAMPL_REBOOT, NULL,0,NULL,0,length,NULL); //控制傳輸

WriteFile(m_hUsbSample,pBuffer,writelength,writelength,NULL); //批量輸出傳輸

ReadFile(m_hUsbSample,pBuffer,64,lgngth,NULL); //批量輸入傳輸

CloseHandle(m_hUsbSample); //關(guān)閉USB句柄

使用上述函數(shù)編制USB高速數(shù)據(jù)采集卡的主機(jī)軟件。

通過以上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于USB數(shù)據(jù)采集卡的基本功能。但還有一些如信號(hào)的觸發(fā)、事件的捕獲功能還需完善；需開發(fā)基于USB2.0的系統(tǒng)，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?