USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設計與實現(xiàn)-圖文

一計算機應用摘現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，在瞬態(tài)信呼測量、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?，F(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準。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優(yōu)ＵＳＢ接口的高蓬數(shù)據(jù)呆集卡的設計與賓現(xiàn)北京郵電大學１９１信箱‘１刪６’崔巖松丌∞６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ＵＳＢｌ．１協(xié)議，是一種新型的數(shù)據(jù)采集卡。傳送。同時ｕｓＢ又是一種通信協(xié)議，支持主系統(tǒng)與其外設之間的數(shù)據(jù)傳送。ｕＳＢ器件支持熱插拔，可以即插即用。ｕｓＢｌ．１支持兩種傳輸速度，既低速１５Ｍｂｐｓ和高速１２Ｍｂｐ８，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（ｃｏｎｔｍｌｍｏｄｅ）、中斷傳輸方式（Ｉｎｔｅｍｌｐｔｍｏｄｅ）、批量傳輸方式（Ｂｌｌｌｋｍｏｄｅ）和等時傳輸方式（Ｉｏｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｄｅ）。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微控制器（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１１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。整個系統(tǒng)以ＴｕｓＢ３２１０為核心，負責啟動Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，控制ＦＩＦ０的讀寫及采樣頻率的設定．與主機之間的點，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。基于ｕｓＢ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。１１．１ＵＳＢ數(shù)據(jù)采集卡原理ＵＳＢ簡介通用串行總線適用于將ｕｓＢ外圍設備連接到主機上，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)（接上頁）取時間片數(shù)數(shù)據(jù)計算第２個ＤＴＭＦ值，并修改任務記錄表中該用戶的調(diào)度數(shù)據(jù)，指向它的下一個子任務。其它子任務的設計思想與此子任務類似。本文在單片機實時控制系統(tǒng)中引入了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的多任務思想，采用時問片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法對傳統(tǒng)單片機編程思想進行了改進，并應用在基于Ｍｃｓ一５１的分級分布式系統(tǒng)中，有效地完成了對３２個獨立用戶的控制。實踐證明這種結構清晰、調(diào)度靈活，適用于定時要求復雜、實時性要求強的系統(tǒng)。參考文獻ｌ湯子瀛．計算機操作系統(tǒng)．西安：西安電子科技大學出版社，１９９９《令莖＜趔蘭?。。《叨?。一Ｉ“ＩＮ二干．《≤≥．，．．．．．．．．．．Ｊｌ』?。海赶蛳乱粋€子任務１１ｌｌ２張友德．單片微型機原理、應用與實驗．上海：復旦大學出版社．１９９８（收稿日期：２００２—０９—２９）（．望苧）圈３發(fā)送第２位Ｄ１ＭＦ編碼數(shù)據(jù)漉程歡迎郵購本刊１９９５—１９９９年光盤版，每套１００元《電子技術應用》２００３年第３期萬方數(shù)據(jù)計算｛的ＡＤＣ，如圖２。采樣信號每半個時鐘周期通過一個流水線階段，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位的閃逮ＡＤｃ對輸人電壓量化，由ＤＡｃ產(chǎn)生一個對應于景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處理。每級流水線提供ｌ位的分辨率，并進行差錯校正，得到良好的線性和低失調(diào)。ＭＡｘｌ４４９提供一個２．０４８ｖ的精確帶隙基準源，用來設定ＡＤｃ滿量程范圍，也可以用外部基準源改變量程范｝Ｉｚ應用一圖１系統(tǒng)原理圖圍。ＭＡｘｌ４４９的最大差分輸入電壓范圍為２Ｖ。通信及數(shù)據(jù)傳輸。２．３輸入信號處理電路２ＵＳＢ數(shù)據(jù)采集卡硬件ＭＡｘｌ４４９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ＴＨｓ４５０３作為單端輸入２．１ＴＵＳＢ３２１０芯片ＴｕｓＢ３２１０是ＴＩ公司推出的內(nèi)嵌８０５２內(nèi)核并帶有到差分輸出的轉(zhuǎn)換電路。ＴＨｓ４５０３高性能的全差分運ｕｓＢ接［Ｉ的微控制器芯片。ＴｕｓＢ３２ｌＯ有２５６字節(jié)的內(nèi)部放，帶寬可達”ＯＭＨｚ，具有非常好的線性，在１００ＭＨｚＲＡＭ，８Ｋ字節(jié)的程序ＲＡＭ，５１２字節(jié)的ｕｓＢ數(shù)據(jù)緩沖和端下可支持ｌｌ位的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換要求，適合作為Ａ／Ｄ變換的點描述塊ＥＤＢ（Ｅｎｄｐｄｎｔ前端接口電路。具體電路見圖３所示。Ｄｅ們ｒｉｐｔｏｒＢｌｏｃｈ），４個通用的ＧＰＩＯ端口Ｐｏ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３，１２ｃ接口電路，看門狗電路等。ＴｕｓＢ３２１０的ＵＳＢ接口符合ＵｓＢｌ．１協(xié)議，有４個輸入端點（ＩｎｐｕｔＥｎｄｐｏｉｎｔ）和４個輸出端點（０ｕｔｐｕｔＥｎｄ—ｐｏｉｎＩ），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中讀人固件或從主機中下載固件程序。這項功能便于設備的開發(fā)與在線升級。２．２Ａ／Ｄ芯片ＭＡＸｌ４４９圖３輸人信號處理電路ＭＡｘｌ４４９是ＭＡｘＩＭ公司生產(chǎn)的１０位、１０５ＭｓＰＳ、單２．４ＦＩＦＯ和時鐘發(fā)生電路３．３Ｖ電源、低功耗的高速Ａ／Ｄ芯片。它采用差分輸入．帶有高速Ａ／Ｄ變換的數(shù)據(jù)不能直接通過ｕｓＢ送入主高寬帶采樣／保持（Ｔ／Ｈ）的ｌＯ階段流水線（ｐｉｐｅｌｉｎｅ）型結構機，系統(tǒng)中通過兀ＦＯ來緩沖數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用１１公司ＭＤＡＣ的ｓＮ７４Ｖ２９３芯片。它的容量為６５５３６ｘ１８或１３１０７２×９，最快讀寫周期為６ｎｓ，可以滿足】００ＭＨｚ采樣數(shù)據(jù)的存儲。用戶可以選擇輸入、輸出寬度，當選擇輸入、輸出寬度為１８時，口丁存儲“Ｋ×ｌＯ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１２８Ｋｘ９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ｎＦＯ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Ｄｓｌ０７３時鐘芯片。Ｄｓｌ０７３是戈需外部元件的頻率振蕩器。通過ＤＡＬＬＡｓ獨有的ｌ—ｗｉ”技術，可以設定內(nèi)部的分頻器數(shù)值，實現(xiàn)輸出頻率囝２流水線型結構的ＡＤｃ從２７．３ｋＨｚ一１００ＭＨｚ可調(diào)，從而方便地改變采樣時鐘，《電子技術應用》２００３年第３期奉刪掇藕，郵描：№＠ｎｃ∞．ｃｏｍ．ｃｎ２１萬方數(shù)據(jù)計算機應用簡化電路設計。ＭＡｘｌ“９數(shù)據(jù)輸出時下降沿有效，而ｎＦＯ寫入時上升沿鎖存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中采用Ｄｓ９０Ｌｃ０２８Ａ實現(xiàn)對時鐘信呼的取反。２５ＥｐｌＩ叩ｕ帆ｅｒｎｌｐＩＨ∞ｄｌｅｒ（）；ｈｒｅａｋ：ｃ耶ｅｖＥＣＩＮｌｏＥＴＵＰ－ＰＡＣＫＥＬＲＥＣＥＩＶＥＤ：ＰＣＢ板制作出于是高速Ａ／Ｄ采集，在制作ＰＣＢ板時有一些需ｓｅｔｕｐＰａｃｋｅｔＩｎｔｅｍｌｐｌＨａｎｄｌｅｒ（）；ｂＵＳＢＳＴＡ＝ＵＳＢＳｒＡ—ＳＥＴＵＰ；ｂＶＥＣＩＮＴ；０ｘｏｏ：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每靠近芯片的電源管腳。模擬公共地和數(shù)字公』｝地要分開，選一點通過低值表貼電阻（１～５ｎ）、磁珠或直接連接，眥免數(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｝｝ｂＩ糟ｋ：ｄｅｆＨｕｈ：ｂｍⅡｌ‘；／／不知道中斷ＩＤＥＡ＝ＥＮＡＢＬＥ；／／開中斷３．２主機軟件設計筆者首先開發(fā)ＴｕｓＢ３２ｌＯ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、中斷傳輸和批量傳輸?shù)臉藴式涌诤瘮?shù)。在應用程序開發(fā)中，町用Ｖｃ＋＋編制應用程序。可以把ｕｓＢ設備當成文件來操作．利用ｃｒｅａｔｅＦｉｌｅ得到ＵｓＢ句柄，用ＤｅｖｉｃｅＩｏｃｏｎｔｍｌ來進行控制傳輸，用Ｒｅ日ｄＦｉｌｅ、ｗｒｉｔｅＦｉＩｅ進行批量傳輸。程序?qū)嵗缦拢海龋粒危模蹋牛眨樱赂咚俪〒?jù)采集卡的軟件開發(fā)一個ＵＳＢ設備，軟件沒計是必不可少的。ＵＳＢ應用系統(tǒng)軟件｛殳計分為三部分：ｕｓＢ外設端的固件（Ｆｉｒｍｗ∽）、主機操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動程序以及主機應用軟件。主機應用軟件通過客戶驅(qū)動程序與系統(tǒng)ｕｓＢｌ（ｕｓＢＤｅｖｉｃｅＩｎｔｅ南ｃｅ）進行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生ｕｓＢ數(shù)據(jù)的傳送動作；圊件則響應各種來自系統(tǒng)的ｕｓＢ標準請求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。３．１ＵＳＢ接口編程固件程序主要是實現(xiàn)ｕｓＢ通信。ＴｕｓＢ３２１０采用ｓＩＥｍ』ｕｓ‰ｐｌｅ＝ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（”、、、、．ＵＵＳＢＳ帥Ｐ１０”，ＧＥＮＥＲＩｃ—ＲＥＡＤＩＧＥＮＥＲＩＣ—ＷＲＩＴＥ．ＦｌＬＥ—ＳＨＡＲＥ—ＲＥＡＤｌＦＩＬＥ—ＳＨＡＲＥ—ＷＲＩＴＥ．ＮＵＬＬ，０ＰＥＮ—ＥｘＩＳＴＩＮＣ，０．ＮＵＩ。Ｌ）；／／打開ＵｓＢ句柄ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（ｍ—ｈｕＢｂＳａｍｐｌｅ．ＩＯＣＴＬ—ＵｓＢＳＡＭＰＬ—ＲＥＢＯｏＴ．ＮｕＬＬ，０，ＮｕＬＬ，Ｏ，＆ｌｅｎｇ【ｈ，ＮｕＩ．Ｌ）；Ｔｎ＿ｈＵｓｂＳａｍｐｌｅ；／／ｕＳＢ句柄來管理ｕＳＢ通信。當主機與芯片進行ｕＳＢ通信時，會產(chǎn)生外部中斷ｏ，通過中斷矢量寄存器判斷。ｓｅｔｕｐ—ｐａｃｋｅⅡｊｎｔ、Ｉｎｐｕ【一ｅｎｄｐｏｉｎｌｕ＿Ｉｎｔ、Ｏｕｔｐ叭一ｅｎｄｐｏｉｎｌｕ＿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；ｌ“ｐｕｔ－ｅｎｄｐｏｉｎ“－Ｉｎｔ、ＯｕｔｐｕＬ＿ｅｎｄｐｏｉｎＩＬＩｎｔ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。ｖｏ】ｄ／／控制傳輸／／批量輸出傳輸ｗ五ｔｅＦｉｌｅ（ｍ—ｈｕＢｂＳＢｍｐＩｅ，ｐＢｕｆｒｅｒ，ｗ五ｔｅｌｅｎｇｌｈ，＆ｗ—ｔｅｌｅｎｇｔｈ．ＮＵＵ．）；Ｒｅ８ｄＦｉｌｅ（ｍ＿ｈｕｓｂｓａｍｐｌｅ，ｐＢｕ膿，６４，＆ｌｅｎｇｔｈ，ＮＵＬＬ）；／／批量輸入傳輸Ｆｘ０＿ｌｎｌ（ｖｏｉｄ）ｊｎｔｅ刪ｐｌＯ／／外部中斷０｛ＥＡ＝ＤＩＳＡＢＬＥ；／／關中斷ｓｗｌｔｃｈ（ｂＶＥＣＩＮＴ）｛／／確定中斷ｌＤｃ雌ｅｃｌｏｓ—Ｉ蚰ｍｅ（ＨＬ＿ｈＵｓｂｓ呻ｐｌｅ）；／／關閉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ＶＥｃＩＮＴ－＿ｏＵＴＰＵＴ—ＥＮＤＰＯＩＮＴ０：ｂＶＥＣＩＮＴ＝０ｘ００：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?。參考文獻１２ＴＵＳＢ３２１０ＭＡＸｌ４４９Ｄａｔ舶ｈｅｅｔＳＬＬＳ４６６．ｈｔ岫：／／ｗｗｗ．ｔｉ．ｃｏｍ．２００ｌＥｐＯＯｕ巾ｕｔＩｎｔｅｍｌｐｔＨａｎｄｌｅｒ｛）；ｂｒｆｍｋ：ｃａｓｅＶＥＣＩＮＬＩＮＰＵＴ．ＥＮＤＰＯｌＮＴ０：ｂＶＥＣＩＮＴ＝Ｏｘ００：Ｄａｔ鵲ｈｅｅ【．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍ４ｘｉｍ—ｋｃｏｍｃｎ．２０００Ｄａｔ聃ｈｅｅｔ．ＳＣＡＳ６６９Ｃ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｃｏｍ．２００２ＥｐＯＩｎｐｕｄｎｔｅ“ＰｔＨａｎｄｌｅｒ（）；ｂ陀ａｋ：ｃａｓｅ３ＳＮ７４Ｖ２９３４ＪａｎＡｘｅｌｓｏｎ．ｕＳＢ大全【Ｍ】．北京：中國電力出版社，１９９９ＶＥＣＩＮＴ＿０ｕＴＰｕＴ＿ＥＮＤＰＯＩＮＴ１：ｂＶＥＣＩＮＴ＝Ｏｘ００：５ｃｈｉ琚，ｃ朋ｔ，ｗｉｎｄｏｗｓＷＤＭ設備驅(qū)動程序開發(fā)指南【Ｍ】北京：機械工業(yè)出版社，２０∞（收稿日期；２００２—１０一１５）Ｅｐ１Ｏｕ‘ｐｕｔＩｎｔｃｍｌｐｌＨ８ｒＩｄｌｅｒ（）；１）ｒｅａｋ：ｃ幽ｅＶＥＣＩＮＴ＿ＩＮＰＵＴ＿ＥＮＤＰｏｌＮＴｌ：ｈＶＥＣｌＮＴ＝Ｏｘ００：２２歡迎郵購本刊１９９５—１９９９年光土版，每套ｌＯＯ無《電子技術應用》２００３年第３期萬方數(shù)據(jù)USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設計與實現(xiàn)作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期：引用次數(shù)：崔巖松北京郵電大學191信箱,100876電子技術應用APPLICATIONOFELECTRONICTECHNIQUE2003，29(312次參考文獻(5條1.TUSB3210Datasheet.SLLS4662.MAX1449Datasheet20003.SN74V293Datasheet.SCAS669C20024.JanAxelsonUSB大全19995.ChirsCantWindowsWDM設備驅(qū)動程序開發(fā)指南2000相似文獻(0條引證文獻(12條1.宮鑫.徐遐齡基于MAX3420的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[期刊論文]-國外電子元器件2008(082.張靜.閻學文基于USB的智能數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[期刊論文]-電子科技2007(113.洪家平基于USB接口器件MAX3420E的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[期刊論文]-國外電子元器件2007(024.周建國.王明渝USB在交流變頻電力測功機中的應用[期刊論文]-計算機工程與設計2006(055.周樹槐.韋克平數(shù)控測井系統(tǒng)小型化和模塊化設計[期刊論文]-電子測量技術2006(046.王偉基于雙核處理器的ADCP系統(tǒng)研制與開發(fā)[學位論文]碩士20067.彭其圣.陳軍波.彭建盛基于nRF24E1