基于USB接口的實用型數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

摘要: 本文采用一種新型的通信標(biāo)準(zhǔn)USB，研制出一種基于USB接口的實用型數(shù)據(jù)采集卡。硬件是一外置式的密封設(shè)備，軟件具有很好的用戶圖形界面。整個系統(tǒng)功能齊全、操作簡單，采樣速度24MB/s達到國內(nèi)先進水平。詳細(xì)論述了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計，并且對系統(tǒng)所使用的主要芯片和相關(guān)技術(shù)做了說明；本文還對USB驅(qū)動程序、固件程序和應(yīng)用層程序進行了開發(fā)。
關(guān)鍵字: 數(shù)據(jù)采集；USB；數(shù)模轉(zhuǎn)換；CPLD

1 引言

隨著低成本高性能的計算機資源普及運用、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化測量平臺逐漸成為測量儀器的基礎(chǔ)。所有測量測試儀器的主要功能由數(shù)據(jù)采集采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果的表達與輸出三大部分組成。高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是影響其發(fā)展的一個重要因素。本文實現(xiàn)了基于USB接口的實用型數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計。

2數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文采用集散型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，定位為高速、雙通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。整個系統(tǒng)采用模塊化技術(shù)，各個模塊通過總線連接。設(shè)計時將整個系統(tǒng)劃分為四個相互關(guān)聯(lián)的有機部分，即信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、CPLD控制模塊和軟件操作平臺。模塊間連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 模塊間的連接

高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計的關(guān)鍵是高速ADC的選擇和經(jīng)采樣得到的高速數(shù)據(jù)如何被送到計算機里進行處理，在本章中將詳細(xì)介紹關(guān)于高速數(shù)據(jù)采集卡的各模塊的設(shè)計。高速數(shù)據(jù)采集卡硬件部分的設(shè)計從功能上主要包括信號調(diào)理模塊、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、CPLD控制模塊以及與計算機接口部分電路組成。

2.1 信號調(diào)理模塊的設(shè)計

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，現(xiàn)場輸入信號是高頻的模擬信號，信號變化的范圍都比較大，如果采用單一的增益放大，那么放大以后的信號幅值有可能超過A/D轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號的變化相應(yīng)地調(diào)整放大器的增益。在自動化程度較高的系統(tǒng)中，希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益，AD8321正是這樣一種具有增益可編程功能的芯片。AD8321是美國AD工公司生產(chǎn)的一種增益可編程線驅(qū)動器，可廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。它具有頻帶寬、噪聲低、增益可編程且易于與單片機進行串行通信等優(yōu)點，十分適合在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做前置放大。本文的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖如圖2。

圖2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

在此系統(tǒng)中，高頻模擬信號線輸入到AD8321，經(jīng)程控放大后再輸送到具有采樣保持功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，因為采樣頻率為高頻，所以在A/D后接在EZ-USB FX2芯片，然后再連到計算機上。