基于高速USB接口模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

引言

工程師在設(shè)計(jì)基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)都認(rèn)為，要想獲得比較好的性能，都需要使用PCI總線。其實(shí)并不是這樣，隨著USB通信技術(shù)的不斷發(fā)展，USB總線的傳輸速度和可靠性都在逐步提升。對(duì)于廣范應(yīng)用的USB2.0，其最快速度能夠達(dá)到480 Mb/s。就算其中一些中斷或者協(xié)議占用一部分帶寬，高于80 Mb/s的速度也是很容易實(shí)現(xiàn)的。而USB3.0協(xié)議下的理論速度可以達(dá)到USB2.0的10倍左右。另外，相比于PCI卡，USB接口對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與升級(jí)更加方便。

QuickUSB[1]是基于CY7C68013A[2]開(kāi)發(fā)的一款針對(duì)USB2.0的高速USB模塊。Bitwise公司為這款模塊提供嵌入EEPROM的底層程序，同時(shí)還在PC端提供了相應(yīng)的LabVIEW和C語(yǔ)言的API底層程序，這為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了很大的便利。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)[3]就是基于這個(gè)原理。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心硬件是FPGA、ADS803E、CY7C68013A以及Bitwise公司的內(nèi)嵌底層程序的EEPROM。

圖1是FPGA的配置電路。CY7C68013A可以通過(guò)PS模式來(lái)配置FPGA，而不需要其他的下載器。系統(tǒng)選擇的FPGA型號(hào)是EP2C50F484，為了使用PS模式下載，需要分別設(shè)置MSEL0=1，MSEL1=0，MSEL2=0。注意配置端口需要增加上拉電阻來(lái)保證其正常工作。

圖1 FPGA的配置電路

系統(tǒng)選擇ADS803E作為ADC轉(zhuǎn)換電路，ADS803E的轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到5 MHz，而且其引腳與同類(lèi)型的10 MHz的ADS804以及20 MHz的ADS805兼容。圖2是系統(tǒng)ADC轉(zhuǎn)換電路。

對(duì)于ADS803E的輸入信號(hào)首先要經(jīng)過(guò)一級(jí)運(yùn)放跟隨，目的是為了將輸入信號(hào)控制在其測(cè)量范圍之內(nèi)。ADS803E的測(cè)量范圍可以通過(guò)改變圖中電阻R1與R2的值來(lái)實(shí)現(xiàn)，其量程范圍為0~2×R1+R2R1。ADS803E的輸出要在6個(gè)時(shí)鐘之后才會(huì)有效，也就是說(shuō)其數(shù)字輸出對(duì)于模擬輸入存在6個(gè)時(shí)鐘的延時(shí)。同時(shí)，為了減小系統(tǒng)的功耗，在不需要進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)候，可以通過(guò)FPGA將ADS803E的時(shí)鐘停止。

圖2 ADC轉(zhuǎn)換電路