基于LABVIEW的USB接口多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和中斷資源，現(xiàn)場信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)安全有威脅，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測信號(hào)也會(huì)造成很大的影響，最耗時(shí)最復(fù)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(jī)上編寫上位機(jī)軟件來完成，因此用戶不得不在這方面花費(fèi)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(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用，因此迫切需要設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(shù)優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用，INTEL等公司最近公布了USB 3.0主控制器規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率有望達(dá)5Gbps，且支持雙向同時(shí)傳輸，完全可以滿足實(shí)時(shí)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(hào)采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，集開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行于一體，其交互式的Express VI 易與各種范圍的I/O信號(hào)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(jìn)程。如果根據(jù)DSP本身的特點(diǎn)，把DSP集成到采集卡上，并把數(shù)據(jù)采集和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作留給DSP來完成，然后計(jì)算機(jī)再利用LABVIEW強(qiáng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，充分利用DSP豐富的片上外設(shè)以及高性能的數(shù)字信號(hào)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(jī)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(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器，指令速度高達(dá)150MIPS，片內(nèi)集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)、脈寬調(diào)制電路、捕獲單元、光電編碼器、串行外設(shè)接口等模塊，為進(jìn)一步拓展DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提供了豐富的資源。本設(shè)計(jì)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(chǔ)，利用DSP片上A/D轉(zhuǎn)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(jī)，PC機(jī)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(hào)調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集控制處理部分和上位機(jī)控制面板部分，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理模塊

　　由于被測輸入信號(hào)范圍為-15V~+15V，而DSP片上高速A/D轉(zhuǎn)換器要求輸入信號(hào)必須為0～3V,所以需要對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。

　　信號(hào)調(diào)理模塊主要由高速運(yùn)算放大器AD8028組成。很多運(yùn)放都有這樣一個(gè)特點(diǎn)：當(dāng)輸入信號(hào)接近門檻電壓時(shí)，輸出從一個(gè)差分對(duì)到另一個(gè)差分對(duì)變換時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真，再加上信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)輸入信號(hào)衰減的比例很大，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)誤差會(huì)更大，因此運(yùn)放的選擇非常關(guān)鍵。AD8028是Analog Devices公司的軌到軌輸入輸出的高速運(yùn)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(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：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(gè)理想的選擇，其單通道信號(hào)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(gè)獨(dú)立的8通道模塊、也可以級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)16通道的帶流水線的12位ADC，最高采樣速率12.5MHz，流水線轉(zhuǎn)換時(shí)間是80ns，單次轉(zhuǎn)換時(shí)間是200ns。該模塊主要由前向模擬多路復(fù)用開關(guān)、采樣/保持電路、變換內(nèi)核、結(jié)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(duì)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(fù)雜的協(xié)議細(xì)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(yīng)用層協(xié)議應(yīng)該由DSP編程實(shí)現(xiàn)，USB固件的加載必須靠DSP控制來完成。

　　本設(shè)計(jì)將CY7C68001映射為DSP的外設(shè)，占用DSP的外擴(kuò)區(qū)域XINTF0空間，地址分配如下：FIFO2，F(xiàn)IFO4，F(xiàn)IFO6，F(xiàn)IFO8和命令口的地址分別為000，001，010，011，100，采用并行異步讀寫方式完成二者之間數(shù)據(jù)和命令的交換。當(dāng)CY7C68001的地址線FIFOADR[2:0]為100時(shí)，選中CY7C68001的命令口，通過CY7C68001的命令口，可以訪問其內(nèi)部37個(gè)寄存器、Endpoint0緩沖器（64個(gè)字節(jié)FIFO）和描述表（500個(gè)字節(jié)FIFO）等。CY7C68001中斷信號(hào)INT#和4個(gè)狀態(tài)信號(hào)READY、FLAGA、FLAGB、FLAGC分別與DSP的外部中斷1 (XINT1)， GPIOA0，GPIOA1，GPIOA2，GPIOA3相連。在實(shí)際應(yīng)用中，由于通信速度達(dá)480Mb/s，所以要對(duì)電源進(jìn)行退耦處理， 另外CY7C68001最好使用24MHz有源晶振以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，硬件電路圖如圖4所示。


 
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的開發(fā)USB應(yīng)用系統(tǒng)的步驟是：先用Windows DDK(設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包)或第三方開發(fā)工具(如Driver Studio)開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序，然后用Visual C++編寫DLL(動(dòng)態(tài)連接庫)，最后再調(diào)用DLL來開發(fā)應(yīng)用程序。本文介紹一種簡單快速開發(fā)USB接口應(yīng)用系統(tǒng)的方法，它直接在LABVIEW環(huán)境下通過NI-VISA開發(fā)能驅(qū)動(dòng)用戶USB系統(tǒng)的應(yīng)用程序，完全避開了以前開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)雜性，大大縮短了開發(fā)周期。

LABVIEW及其對(duì)VISA的調(diào)用

　　VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一個(gè)用來與各種儀器總線進(jìn)行通訊的高級(jí)應(yīng)用編程接口(API)，不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制，可用來對(duì)USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行配置、編程和調(diào)試。當(dāng)進(jìn)行USB通信時(shí)，VISA提供了兩類函數(shù)供LABVIEW調(diào)用：USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備。USB INSTR設(shè)備是符合USBTMC協(xié)議的USB設(shè)備，可以通過使用USB INSTR類函數(shù)控制，通信時(shí)無需配置NI-VISA；而USB RAW設(shè)備是指除了明確符合USBTMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設(shè)備，通信時(shí)要配置NI-VISA。

(1)配置NI-VISA的步驟

　?、偈褂肈river Development wizard(驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)向?qū)?創(chuàng)建INF文檔；

　?、诎惭bINF文檔，并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備；

　?、凼褂肗I-VISA Interactive Control(NI-VISA互動(dòng)控制工具)對(duì)設(shè)備進(jìn)行測試，以證實(shí)USB設(shè)備已正確安裝，并獲得USB設(shè)備的各屬性值。

(2)與Nl-VISA相配合的LABVIEW模板中VI子節(jié)點(diǎn)

ViOpen，打開并指定VISA resource name的設(shè)備的連接；
ViProperty，VISA設(shè)備的屬性子節(jié)點(diǎn)，可以設(shè)置端點(diǎn)或傳輸方式；
ViWrite，向VISA resource name指定的設(shè)備寫入數(shù)據(jù)；
ViRead，從VISA resource name指定的設(shè)備讀出數(shù)據(jù)；
ViClose，結(jié)束設(shè)備讀寫并關(guān)閉與指定設(shè)備的連接。
(3)USB RAW設(shè)備讀寫的操作
USB RAW設(shè)備的讀寫流程圖如圖5所示。

 
前面板部分

　　LABVIEW是NI公司開發(fā)的一種基于圖形程序的編程語言，用戶利用創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫程序，使創(chuàng)建的程序模塊化且編制簡單直觀。一個(gè)LABVIEW程序分為3部分；前面板、框圖程序和圖標(biāo)/接線端口。前面板提供與用戶交互的圖形化界面，通過面板上的各種按鈕、開關(guān)等控件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作或控制；實(shí)時(shí)波形顯示窗口能對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)波形進(jìn)行預(yù)覽和監(jiān)視。還可以通過LABVIEW波形顯示器自帶的功能對(duì)波形進(jìn)行觀察和測量，對(duì)穩(wěn)定的周期信號(hào)可以直接準(zhǔn)確地讀出幅值和頻率，采集的正弦波波形如圖6所示


 
結(jié)束語

　　隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，社會(huì)的數(shù)字化程度越來越高，數(shù)據(jù)采集也越來越重要，本系統(tǒng)是一種通用的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可用于生物電波、電子學(xué)頻譜、聲波分析等瞬態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和觀察等場合。其中基于USB總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有可靠性高、數(shù)據(jù)不丟失、抗干擾性強(qiáng)、便于數(shù)據(jù)傳輸和處理等優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。