雙通道同步高速數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)

　　摘要：本文設(shè)計(jì)了一種Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)的雙通道同步高速數(shù)據(jù)采集器。該采集器利用FT2232H接口芯片完成上位機(jī)USB口與ADC轉(zhuǎn)換器件之間的數(shù)據(jù)通訊。采集器中設(shè)置有一個(gè)微處理器(MCU)，上位機(jī)通過(guò)USB口發(fā)布命令給數(shù)據(jù)采集器，可以控制采樣頻率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及數(shù)據(jù)傳輸速率等參數(shù)。該采集器設(shè)置有兩路同步工作的ADC，可實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)高速采集，最高采樣頻率可以達(dá)到10MSPS。

　　引言

　　作為信號(hào)處理的第一步，數(shù)據(jù)的采集傳輸成為影響系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié)。RS232等傳統(tǒng)串口不僅難以滿(mǎn)足高速要求，且被主流筆記本所摒棄，而USB接口具有連接方便，高速，即插即用，支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，使其成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。很顯然，利用USB標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器儀表輸出的模擬信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)成為趨勢(shì)。梁鴻翔等人利用Cypress公司的USB控制芯片CY7C68013和同步數(shù)據(jù)采集芯片AD7862實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)的同步采集傳輸，但其驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)復(fù)雜，靈活性差等缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用范圍。本文采用FT2232H作為USB協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，連接兩路獨(dú)立的ADC，配套底層驅(qū)動(dòng)，避免了驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的難題，而且靈活性好，可擴(kuò)展性高。

　　系統(tǒng)組成

　　本文數(shù)據(jù)采集器由MCU，F(xiàn)T2232H接口芯片，兩路ADC(本文為ADC1173)和電源轉(zhuǎn)換電路等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。　　

　　本采集器以FT2232H接口芯片為核心，完成并行接口與USB接口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。MCU為控制單元，執(zhí)行系統(tǒng)初始化設(shè)置并接收由FT2232H下傳的上位機(jī)控制命令，根據(jù)相應(yīng)命令對(duì)兩路ADC進(jìn)行啟動(dòng)和停止采樣等控制，并設(shè)置ADC的采樣頻率。ADC采集的數(shù)據(jù)通過(guò)8位并行數(shù)據(jù)總線(xiàn)存入FT2232H的接收緩存FIFO中，經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換后通過(guò)USB接口傳到上位機(jī)進(jìn)行處理與存儲(chǔ)。MCU自帶的RS232口可以用于外部部件的低速數(shù)據(jù)通訊，比如海洋儀器設(shè)備的GPS接口數(shù)據(jù)等，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括電源部分設(shè)計(jì)，各器件之間的接口設(shè)計(jì)和一些輔助電路設(shè)計(jì)。本文采用TPS54140電源芯片，外部24V電壓供電，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的3.3V。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是FT2232H與ADC的接口設(shè)計(jì)和FT2232H與MCU的接口設(shè)計(jì)。

　　FT2232H與ADC的接口設(shè)計(jì)

　　FT2232H是FTDI公司生產(chǎn)的USB與并行接口協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片。其具有兩個(gè)多用途的UART/FIFO控制器，每個(gè)控制器擁有8K字節(jié)緩存(發(fā)送和接收各4K字節(jié)緩存)，通過(guò)其官網(wǎng)提供的配置軟件可以分別對(duì)其進(jìn)行功能配置，應(yīng)用方便簡(jiǎn)單。該芯片還提供在多種系統(tǒng)下的底層驅(qū)動(dòng)，并提供兩種驅(qū)動(dòng)方式，VCP(Virtual Com Port)和D2XX(Direct Drivers)。本文采用D2XX驅(qū)動(dòng)方式，將其配置成兩路相同的FT245異步FIFO接口。

　　將FT2232H的兩個(gè)UART/FIFO控制器的數(shù)據(jù)線(xiàn)分別與兩路ADC的數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)相連。接口具體連接方法如圖2所示。MCU根據(jù)上位機(jī)命令，設(shè)置CLK信號(hào)輸出頻率，以決定ADC的采樣頻率。由于ADC1173在CLK的下降沿啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，上升沿輸出采集的數(shù)據(jù)，而FT2232H在WR的下降沿將數(shù)據(jù)讀入FIFO緩存，所以只需將CLK信號(hào)設(shè)置相應(yīng)延時(shí)并反相后接入FT2232H的WR(A/B)信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步高速采集傳輸，其時(shí)序如圖3所示。