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

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，受限于計算機插槽數(shù)量和中斷資源，現(xiàn)場信號對計算機安全有威脅，計算機內(nèi)部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響，最耗時最復(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機上編寫上位機軟件來完成，因此用戶不得不在這方面花費大量精力。這些問題都遏制了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進一步開發(fā)和應(yīng)用，因此迫切需要設(shè)計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)采集以及與計算機的數(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，該標準的數(shù)據(jù)傳輸速率有望達5Gbps，且支持雙向同時傳輸，完全可以滿足實時數(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)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，集開發(fā)、調(diào)試、運行于一體，其交互式的Express VI 易與各種范圍的I/O信號連接，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)進程。如果根據(jù)DSP本身的特點，把DSP集成到采集卡上，并把數(shù)據(jù)采集和部分數(shù)據(jù)處理工作留給DSP來完成，然后計算機再利用LABVIEW強大的數(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，充分利用DSP豐富的片上外設(shè)以及高性能的數(shù)字信號處理能力，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位定點數(shù)字信號控制器，指令速度高達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，為進一步拓展DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提供了豐富的資源。本設(shè)計采用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，PC機接收到數(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通道被測信號調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集控制處理部分和上位機控制面板部分，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

信號調(diào)理模塊

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

　　信號調(diào)理模塊主要由高速運算放大器AD8028組成。很多運放都有這樣一個特點：當輸入信號接近門檻電壓時，輸出從一個差分對到另一個差分對變換時會產(chǎn)生失真，再加上信號調(diào)理模塊對輸入信號衰減的比例很大，如果設(shè)計不當誤差會更大，因此運放的選擇非常關(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，它有一個突出的優(yōu)點：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是一個理想的選擇，其單通道信號調(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個獨立的8通道模塊、也可以級聯(lián)構(gòu)成一個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)換時間是80ns，單次轉(zhuǎn)換時間是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編程實現(xiàn)，USB固件的加載必須靠DSP控制來完成。

　　本設(shè)計將CY7C68001映射為DSP的外設(shè)，占用DSP的外擴區(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CY7C68001的地址線FIFOADR[2:0]為100時，選中CY7C68001的命令口，通過CY7C68001的命令口，可以訪問其內(nèi)部37個寄存器、Endpoint0緩沖器（64個字節(jié)FIFO）和描述表（500個字節(jié)FIFO）等。CY7C68001中斷信號INT#和4個狀態(tài)信號READY、FLAGA、FLAGB、FLAGC分別與DSP的外部中斷1 (XINT1)， GPIOA0，GPIOA1，GPIOA2，GPIOA3相連。在實際應(yīng)用中，由于通信速度達480Mb/s，所以要對電源進行退耦處理， 另外CY7C68001最好使用24MHz有源晶振以增強系統(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

　　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)動程序，然后用Visual C++編寫DLL(動態(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)動程序的復(fù)雜性，大大縮短了開發(fā)周期。

LABVIEW及其對VISA的調(diào)用

　　VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一個用來與各種儀器總線進行通訊的高級應(yīng)用編程接口(API)，不受平臺、總線和環(huán)境的限制，可用來對USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進行配置、編程和調(diào)試。當進行USB通信時，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，通信時要配置NI-VISA。

(1)配置NI-VISA的步驟

　?、偈褂肈river Development wizard(驅(qū)動程序開發(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互動控制工具)對設(shè)備進行測試，以證實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

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，可以設(shè)置端點或傳輸方式；
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LABVIEW程序分為3部分；前面板、框圖程序和圖標/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)等控件可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的操作或控制；實時波形顯示窗口能對產(chǎn)生的信號波形進行預(yù)覽和監(jiān)視。還可以通過LABVIEW波形顯示器自帶的功能對波形進行觀察和測量，對穩(wěn)定的周期信號可以直接準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

　　隨著電子計算機的廣泛應(yīng)用，社會的數(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)信號的實時采集和觀察等場合。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、便于數(shù)據(jù)傳輸和處理等優(yōu)點，因而具有良好的應(yīng)用前景和實用價值。