基于usb总线的高速数据采集系统

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1、基于usb总线的高速数据采集系统摘要：介绍了一种基于ＵＳＢ总线的高速数据采集系统，讨论了ＵＳＢ控制器ＥＺ－ＵＳＢＦＸ２ＣＹ７Ｃ６８０１３的性能及传输方式给出了该系统的硬件和基于ＧＰＩＦ主控方式实现数据传输的软件设计方法。关键词：ＵＳＢ；数据采集；ＥＺ－ＵＳＢＦＸ２；ＧＰＩＦ１　引言现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。目前比较通用的是在ＰＣ或工控机内安装数据采集卡（如Ａ／Ｄ卡及４２２、４８５卡）。但这些数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦、价格昂贵、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差，同时在一些电磁干扰性强的测试现场，可能无法专门对其作电磁屏

2、蔽，从而导致采集的数据失真。传统的外设与主机的通讯接口一般是基于ＰＣＩ总线、ＩＳＡ总线或者是ＲＳ－２３２Ｃ串行总线。ＰＣＩ总线虽然具有较高的传输速度（１３２Ｍｂｐｓ），并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限（一般为５～６个），ＩＳＡ总线显然存在同样的问题。ＲＳ－２３２Ｃ串行总线虽然连结简单，但其传输速度慢（５６ｋｂｐｓ），且主机的串口数目也有限。通用串行总线（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ，简称ＵＳＢ）是１９９５年康柏、微软、ＩＢＭ、ＤＥＣ等公司为了解决传统总线的不足，而推出的一种新型串行通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经

3、逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于ＵＳＢ的数据采集系统充分利用ＵＳＢ总线的上述优点，有效地解决了传统数据采集系统的缺陷。ＵＳＢ的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择，以满足不同的系统和部件及相应不同的功能，从而给使用带来极大方便。２　系统介绍２．１数据采集系统的结构与功能常见的数据采集系统的硬件总体结构如图１所示。其中数据采集接口卡是硬件部分的核心，它包括Ａ／Ｄ转换器、微控制器、ＵＳＢ通信接口等。在高速数据采集系统中由于现场输入信号是高频模拟信号，因而信号的变化范围都比较大如果采用单一的增益放大那么放大以后的信号幅值有可能超过Ａ／Ｄ转换的量程所以必须根据

4、信号的变化相应地调整放大器的增益。在自动化程度较高的系统中希望能够在程序中用软件控制放大器的增益ＡＤ８３２１正是这样一种具有增益可编程功能的芯片。ＡＤ８３２１是美国ＡＤ公司生产的一种增益可编程线性驱动器。它具有频带宽、噪声低、增益可编程且易于与单片机进行串行通信等优点，十分适合在数据采集系统中做前置放大。经过调理后的信号可送入模／数变换器（ＡＤＣ）进行Ａ／Ｄ变换。笔者选用的ＡＤＣ是ＴＬＣ５５４０，它是一种高速８位模拟数字转换器，能以高达每秒４０Ｍ的采样速率进行转换，由于采用半闪速结构和ＣＭＯＳ工艺制造，因此功耗和成本很低。其７５ＭＨｚ（典型值）的模拟输入带宽使该器件成

5、为欠采样应用的良好选择。该器件带有内部电阻，可用于从５Ｖ电源产生２Ｖ满度的基准电压，以减少外部元件数。数字输出置于高阻方式。它仅需要５Ｖ电源工作，可由ＵＳＢ总线供电。由于数据采集接口卡是硬件部分的核心，因此应选择能适用ＵＳＢ协议的合适芯片。ＥＺ－ＵＳＢＦＸ２是一种ＵＳＢ２．０集成微控制器。它的内部集成了ＵＳＢ２．０收发器、串行接口引擎（ＳＩＥ）、增强的８０５１微控制器和一个可编程的串行接口。其主要特性如下：●带有加强的８０５１内核性能，可达到标准８０５１的５～１０倍，且与标准８０５１的指令完全兼容；●集成度高，芯片内部集成有微处理器、ＲＡＭ、ＳＩＥ（串行接口引擎）等多个功

6、能模块，从而减少了多个芯片接口部分需要时序配合的麻烦；●采用软配置，在外设未通过ＵＳＢ接口接到ＰＣ机之前，外设上的固件存储在ＰＣ上；而一旦外设连接到ＰＣ机上，ＰＣ则先询问外设是“谁”（即读设备描述符），然后将该外设的固件下载到芯片的ＲＡＭ中，这个过程叫做再枚举。这样，在开发过程中，当固件需要修改时，可以先在ＰＣ机上修改好，然后再下载到芯片中；●具有易用的软件开发工具，该芯片开发系统的驱动程序和固件的开发和调试相互独立，可加快开发的速度。图2USB接口示意图２．２方案选择ＦＸ２有三种可用的接口模式：端口、ＧＰＩＦ主控和从ＦＩＦＯ。在“端口”模式下，所有Ｉ／Ｏ引脚都可作为８０

7、５１的通用Ｉ／Ｏ口。在“从ＦＩＦＯ”模式下，外部逻辑或外部处理器直接与ＦＸ２端点ＦＩＦＯ相连。在这种模式下，ＧＰＩＦ不被激活，因为外部逻辑可直接控制ＦＩＦＯ。这种模式下，外部主控端既可以是异步方式，也可以是同步方式，并可以为ＦＸ２接口提供自己的独立时钟。“ＧＰＩＦ主控”接口模式使用ＰＯＲＴＢ和ＰＯＲＴＤ构成通向四个ＦＸ２端点ＦＩＦＯ（ＥＰ２ＥＰ４ＥＰ６和ＥＰ８）的１６位数据接口。ＧＰＩＦ作为内部的主控制器与ＦＩＦＯ直接相连，并产生用户可编程的控制信号与外部接口进行通信。同时，ＧＰＩＦ还可以通过ＲＤＹ引脚采样外部信号并等待外