USB接口的高速數據采集卡的設計與實(shí)現

摘要：討論了基于USB接口的高速數據采集卡的實(shí)現。該系統采用TI公司的TUSB3210芯片作為USB通信及主控芯片，完全符合USB1.1協(xié)議，是一種新型的數據采集卡。

現代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數據采集的要求日益提高，在瞬態(tài)信號測量、圖像處理等一些高速、高精度的測量中，需要進(jìn)行高速數據采集�，F在通用的高速數據采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，存在以下缺點(diǎn)：安裝麻煩；價(jià)格昂貴；受計算機插槽數量、地址、中斷資源限制，可擴展性差；在一些電磁干擾性強的測試現場(chǎng)，無(wú)法專(zhuān)門(mén)對其做電磁屏蔽，導致采集的數據失真。

通用串行總線(xiàn)USB是1995年康柏、微軟、IBM、DEC等公司為解決傳統總線(xiàn)不足而推廣的一種新型的通信標準。該總線(xiàn)接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為現代數據傳輸的發(fā)展趨勢�；�于USB的高速數據采集卡充分利用USB總線(xiàn)的上述優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統高速數據采集卡的缺陷。

1 USB數據采集卡原理

1.1 USB簡(jiǎn)介

通用串行總線(xiàn)適用于凈USB外圍設備連接到主機上，通過(guò)PCI總線(xiàn)與PC內部的系統總線(xiàn)連接，實(shí)現數據傳送。同時(shí)USB又是一種通信協(xié)議，支持主系統與其外設之間的數據傳送。USB器件支持熱插拔，可以即插即用。USB1.1支持兩種傳輸速度，既低速1.5Mbps和高速12Mbps，在USB2.0中其速度提高到480Mbps。USB具有四種傳輸方式，既控制方式（Control mode）、中斷傳輸方式（Interrupt mode）、批量傳輸方式（Bulk mode）和等時(shí)傳輸方式（Iochronous mode）。

考慮到USB傳輸速度較高，如果用只實(shí)現USB接口的芯片外加普通控制器（如8051），其處理速度就會(huì )很慢而達不到USB傳輸的要求；如果采用高速微處理器（如DSP），雖然滿(mǎn)足了USB傳輸速率，但成本較高。所以選擇了TI公司內置USB接口的微控制器芯片TUSB3210，開(kāi)發(fā)了具有USB接口的高速數據采集卡。

1.2 系統原理圖

系統原理圖如圖1所示。

整個(gè)系統以TUSB3210為核心，負責啟動(dòng)A/D轉換，控制FIFO的讀寫(xiě)及采樣頻率的設定，與主機之間的通信及數據傳輸。

2 USB數據采集卡硬件

2.1 TUSB3210芯片

TUSB3210是TI公司推出的內嵌8052內核并帶有USB接口的微控制器芯片。TUSB3210有256字節的內部RAM，8K字節的程序RAM，512字節的USB數據緩沖和端點(diǎn)描述塊EDB（Endpoint Descriptor Blocks），4個(gè)通用的GPIO端口P0、P1、P2、P3，I2C接口電路，看門(mén)狗電路等。

TUSB3210的USB接口符合USB1.1協(xié)議，有4個(gè)輸入端點(diǎn)（Input Endpoint）和4個(gè)輸出端點(diǎn)（Output End-Point），支持全速和低速傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規定的4種傳輸方式。TUSB3210的USB接口采用串行接口引擎（SIE）編碼和解碼串行數據，并且進(jìn)行校驗、位填充，執行USB所需要的其他信號。這樣采用硬件完成USB協(xié)議，簡(jiǎn)化了固件代碼的編制。

TUSB3210采用基于內部RAM的解決方案，允許通過(guò)I2C總線(xiàn)從串行EEPROM中讀入固件或從主機中下載固件程序。這項功能便于設備的開(kāi)發(fā)與在線(xiàn)升級。

2.2 A/D芯片MAX1449

MAX1449是MAXIM公司生產(chǎn)的10位、105MSPS、單3.3V電源、低功耗的高速A/D芯片。它采用差分輸入，帶有高寬帶采樣/保持（T/H）的10階段流水線(xiàn)（pipeline）型結構的ADC，如圖2。采樣信號每半個(gè)時(shí)鐘周期通過(guò)一個(gè)流水線(xiàn)段，完成連續轉換到數據輸出共需5.5個(gè)時(shí)鐘周期。每個(gè)流水線(xiàn)首先通過(guò)一個(gè)1.5位的閃速ADC對輸入電壓量化，由DAC產(chǎn)生一個(gè)對應于量化結果的電壓并與輸入電壓作差，輸出電壓放大2倍后送到下一級流水線(xiàn)處理。每級流水線(xiàn)提供1位的分辨率，并進(jìn)行差錯校正，得到良好的線(xiàn)性和低失調。

MAX1449提供一個(gè)2.048V的精確帶隙基準源，用來(lái)設定ADC滿(mǎn)量程范圍，也可以用外部基準源改變量程范圍。MAX1449的最大差分輸入電壓范圍為2V。

2.3 輸入信號處理電路

MAX1449芯片的輸入信號為差分輸入時(shí)有最佳的采樣效果。在本系統中用TI的HTS4503作為單端輸入到差分輸出的轉換電路。THS4503高性能的全差分運放，帶寬可達270MHz，具有非常好的線(xiàn)性，在100MHz下可支持11位的A/D轉換要求，適合作為A/D變換的前端接口電路。具體電路見(jiàn)圖3所示。

2.4 FIFO和時(shí)鐘發(fā)生電路

高速A/D變換的數據不能直接通過(guò)USB送入主機，系統中通過(guò)FIFO來(lái)緩沖數據。本系統采用TI公司SN74V293芯片。它的容量為65536×18或131072×9，最快讀寫(xiě)周期為6ns，可以滿(mǎn)足100MHz采樣數據的存儲。用戶(hù)可以選擇輸入、輸出寬度，當選擇輸入、輸出寬度為18時(shí)，可存儲64K×10位的數據。如果選擇輸入、輸出為9位，則可使存儲容量擴大到128×9位，這樣對精度要求不高的用戶(hù)可以獲得更多數據。

SN74V293有獨立的讀寫(xiě)時(shí)鐘控制電路，允許讀寫(xiě)操作同時(shí)進(jìn)行。SN74V293內部有滿(mǎn)、空、半滿(mǎn)輸出信號以及可編程設定的幾乎滿(mǎn)和幾乎空輸出信號，通過(guò)這些信號控制器可以靈活控制FIFO的讀寫(xiě)操作。

對于高速數據采集系統，時(shí)鐘信號很重要。在本系統中選用DALLAS公司的DS1073時(shí)鐘芯片。DS1073是無(wú)需外部元件的頻率振蕩器。通過(guò)DALLAS獨有的1-wire技術(shù)，可以設定內部的分頻器數值，實(shí)現輸出頻率從27.3kHz～100MHz可調，從而方便地改變采樣時(shí)鐘，簡(jiǎn)化電路設計。

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