USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：討論了基于USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的實現(xiàn),。該系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集卡。
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)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,，需要進行高速數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PCI卡或ISA卡,，存在以下缺點：安裝麻煩,；價格昂貴；受計算機插槽數(shù)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(xiàn)場,，無法專門對其做電磁屏蔽，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真,。
通用串行總線USB是1995年康柏,、微軟、IBM,、DEC等公司為解決傳統(tǒng)總線不足而推廣的一種新型的通信標(biāo)準,。該總線接口具有安裝方便、高帶寬,、易于擴展等優(yōu)點,，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢?；赨SB的高速數(shù)據(jù)采集卡充分利用USB總線的上述優(yōu)點,，有效解決了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。
1 USB數(shù)據(jù)采集卡原理
1.1 USB簡介
通用串行總線適用于凈USB外圍設(shè)備連接到主機上,，通過PCI總線與PC內(nèi)部的系統(tǒng)總線連接,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送,。同時USB又是一種通信協(xié)議，支持主系統(tǒng)與其外設(shè)之間的數(shù)據(jù)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）和等時傳輸方式（Iochronous mode）,。
考慮到USB傳輸速度較高,，如果用只實現(xiàn)USB接口的芯片外加普通控制器（如8051），其處理速度就會很慢而達不到USB傳輸?shù)囊?；如果采用高速微處理器（如DSP）,，雖然滿足了USB傳輸速率，但成本較高,。所以選擇了TI公司內(nèi)置USB接口的微控制器芯片TUSB3210,，開發(fā)了具有USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡。
1.2 系統(tǒng)原理圖
系統(tǒng)原理圖如圖1所示,。
4 通道12位.USB2.0高速數(shù)據(jù)采集卡 2 通道12位.USB2.0高速數(shù)據(jù)采集卡
2 通道8位.USB2.0高速數(shù)據(jù)采集卡 4 通道8位.USB2.0高速數(shù)據(jù)采集卡
整個系統(tǒng)以TUSB3210為核心,，負責(zé)啟動A/D轉(zhuǎn)換，控制FIFO的讀寫及采樣頻率的設(shè)定,，與主機之間的通信及數(shù)據(jù)傳輸,。
2 USB數(shù)據(jù)采集卡硬件
2.1 TUSB3210芯片
TUSB3210是TI公司推出的內(nèi)嵌8052內(nèi)核并帶有USB接口的微控制器芯片。TUSB3210有256字節(jié)的內(nèi)部RAM,，8K字節(jié)的程序RAM,，512字節(jié)的USB數(shù)據(jù)緩沖和端點描述塊EDB（Endpoint Desc-riptor Blocks），4個通用的GPIO端口P0,、P1,、P2、P3,，I2C接口電路,，看門狗電路等。
TUSB3210的USB接口符合USB1.1協(xié)議,，有4個輸入端點（Input Endpoint）和4個輸出端點（Output End-Point）,，支持全速和低速傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規(guī)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(shù)據(jù),，并且進行校驗,、位填充，執(zhí)行USB所需要的其他信號,。這樣采用硬件完成USB協(xié)議,，簡化了固件代碼的編制。
TUSB3210采用基于內(nèi)部RAM的解決方案,，允許通過I2C總線從串行EEPROM中讀入固件或從主機中下載固件程序,。這項功能便于設(shè)備的開發(fā)與在線升級。
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（pipeline）型結(jié)構(gòu)的ADC,，如圖2,。采樣信號每半個時鐘周期通過一個流水線段，完成連續(xù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)輸出共需5.5個時鐘周期,。每個流水線首先通過一個1.5位的閃速ADC對輸入電壓量化,，由DAC產(chǎn)生一個對應(yīng)于量化結(jié)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處理,。每級流水線提供1位的分辨率,，并進行差錯校正，得到良好的線性和低失調(diào),。
MAX1449提供一個2.048V的精確帶隙基準源,，用來設(shè)定ADC滿量程范圍，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有最佳的采樣效果。在本系統(tǒng)中用TI的HTS4503作為單端輸入到差分輸出的轉(zhuǎn)換電路,。THS4503高性能的全差分運放,，帶寬可達270MHz，具有非常好的線性,，在100MHz下可支持11位的A/D轉(zhuǎn)換要求,，適合作為A/D變換的前端接口電路。具體電路見圖3所示,。
2.4 FIFO和時鐘發(fā)生電路
高速A/D變換的數(shù)據(jù)不能直接通過USB送入主機,，系統(tǒng)中通過FIFO來緩沖數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用TI公司SN74V293芯片。它的容量為65536×18或131072×9,，最快讀寫周期為6ns,，可以滿足100MHz采樣數(shù)據(jù)的存儲。用戶可以選擇輸入,、輸出寬度,，當(dāng)選擇輸入、輸出寬度為18時,，可存儲64K×10位的數(shù)據(jù),。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可以獲得更多數(shù)據(jù)。
SN74V293有獨立的讀寫時鐘控制電路,，允許讀寫操作同時進行,。SN74V293內(nèi)部有滿、空,、半滿輸出信號以及可編程設(shè)定的幾乎滿和幾乎空輸出信號,，通過這些信號控制器可以靈活控制FIFO的讀寫操作。
對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，時鐘信號很重要,。在本系統(tǒng)中選用DALLAS公司的DS1073時鐘芯片。DS1073是無需外部元件的頻率振蕩器,。通過DALLAS獨有的1-wire技術(shù),，可以設(shè)定內(nèi)部的分頻器數(shù)值，實現(xiàn)輸出頻率從27.3kHz～100MHz可調(diào),，從而方便地改變采樣時鐘,，簡化電路設(shè)計。MAX1449數(shù)據(jù)輸出時下降沿有效,，而FIFO寫入時上升沿鎖存數(shù)據(jù),。系統(tǒng)中采用DS90LC028A實現(xiàn)對時鐘信號的取反。
2.5 PCB板制作
由于是高速A/D采集,，在制作PCB板時有一些需要注意的地方,。電路板最好使用多層板，元件盡量選用表面封裝器件,。這樣可以減小元器件之間的距離,，減小寄生電感、寄生電容,，同時減小電路板的尺寸,。所有的旁路電容都要盡量靠近芯片的電源管腳,。模擬公共地和數(shù)字公共地要分開，選一點通過低值表貼電阻（1～5Ω）,、磁珠或直接連接,，以免數(shù)字地電流干擾模擬地。電源最好用線性穩(wěn)壓電源,，A/D和前端處理電路要用同一電源地輸出,，減小電源波動對采集的影響。
3 USB高速數(shù)據(jù)采集卡的軟件
開發(fā)一個USB設(shè)備,，軟件設(shè)計是必不可少的,。USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計分為三部分：USB外設(shè)端的固件（Firmware）、主機操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動程序以及主機應(yīng)用軟件,。主機應(yīng)用軟件通過客戶驅(qū)動程序與系統(tǒng)USBI（USB Device Interface）進行通信,，由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動作；固件則響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標(biāo)準請求,，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理,。
3.1 USB接口編程
固件程序主要是實現(xiàn)USB通信。TUSB3210采用SIE來管理USB通信,。當(dāng)主機與芯片進行USB通信時,，會產(chǎn)生外部中斷0，通過中斷矢量寄存器判斷,。Setup_packed_Int、Input_endpoint0_Int,、Output_endpoint0_Int這三個中斷主要用于與主機建立連接,、進行控制傳輸或中斷傳輸；Input_endpoint1_Int,、Output_endpoint1_Int這兩個中斷主要在批量傳輸時使用,。在固件中分別執(zhí)行不同的中斷程序來實現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)傳輸。
Void EX0_int(void) interrupt 0 //外部中斷0
{
EA=DISABLE; //關(guān)中斷
switch (bBECINT)(//確定中斷ID
case VECINT_OUTPUT_ENDPOINT0:
bVECFINT=0x00;
Ep0QutputInterruptHandler(),；
break;
case VECINT_INPUT_ENDPOINT0:
bBECINT=0x00;
Ep0InputInterruptHandler(),；
break；
case VECINT_OUTPUT_ENDPOINT1:
bVECINT=0x00;
Ep 1 OutputInterruptHandler();
Break;
case VECINT_INPUT_ENDPOINT1:
bVECINT=0x00;
Ep1InputInterruptHandler();
break;
case VECINT_SETUP_PACKET_RECEIVED:
SetupPacketInterruptHandler();
bUSBSTA=USBSTA_SETUP;
bVECINT=0x00;
break;
default:break; //不知道中斷ID
EA=ENABLE; //開中斷
}
3.2 主機軟件設(shè)計
筆者首先開發(fā)TUSB3210在主機中的驅(qū)動程序,。用WinDK3.0開發(fā)了Win2000下的驅(qū)動程序,，實現(xiàn)了控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸?shù)臉?biāo)準接口函數(shù),。
在應(yīng)用程序開發(fā)中,，可用VC++編制應(yīng)用程序?？梢园裊SB設(shè)備當(dāng)成文件來操作,，利用CreateFile得到USB句柄，用DeviceIoControl來進行控制傳輸，用ReadFile,、WriteFile進行批量傳輸,。程序?qū)嵗缦拢?/span>
HANDLE m_hUsbSample； //USB句柄
m_hUsbSample=CreateFile(\\.\USBSampl0,，GENERIC_READ|
GENERIC_WRITE,，F(xiàn)ILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE，NULI,，OPEN_EXISTING,，0，NULL）,； //打開USB句柄
DeviceIoControl(m_hUsbSample,IOCTL_USBSAMPL_REBOOT, NULL,0,NULL,0,&length,NULL); //控制傳輸
WriteFile(m_hUsbSample,pBuffer,writelength,&writelength,NULL); //批量輸出傳輸
ReadFile(m_hUsbSample,pBuffer,64,&lgngth,NULL); //批量輸入傳輸
CloseHandle(m_hUsbSample); //關(guān)閉USB句柄
使用上述函數(shù)編制USB高速數(shù)據(jù)采集卡的主機軟件,。
通過以上設(shè)計實現(xiàn)了基于USB數(shù)據(jù)采集卡的基本功能。但還有一些如信號的觸發(fā),、事件的捕獲功能還需完善,；需開發(fā)基于USB2.0的系統(tǒng)，進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/span>
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