USB的高精度多通道數據采集卡設計

摘要：詳細敘述了用USB控制器CY7C68013與A／D轉換器ADS8364，構成高精度多路同步數據采集卡的過程，并給出了相應的前端電路和FPGA的控制流程。數據采集卡通過USB協議進行數據傳輸，增加了數據傳輸的有效性和采集卡的通用性。ADS8364可以進行6通道高精度的數據采集，符合大部分的數據采集要求。通過運用FPGA對數據采樣，傳輸等進行控制，并在傳輸過程中進行一些基本的數據處理。

??? 在電子測量中，不僅需要對多路信號進行高精度的采集和預處理，而且要將其快速地傳送到計算機，以便于對測量的監測。文中選用ADS8364來進行多通道信號采集，通過CY7C68013芯片采用USB2．O協議進行數據的快速傳輸。

1 多通道，高精度的A／D轉換
??? ADS8364是美國TI公司生產的高速、低功耗，6通道同步采樣16位模數轉換器。ADS8364采用+5 V工作電壓，并帶有80 dB共模抑制的全差分輸入通道以及6個4μs連續近似的模數轉換器、6個差分采樣放大器。
??? 當ADS8364采用5 MHz的外部時鐘來控制轉換時，它的取樣率是250 kHz，同時對應于4μs的最大吞吐率，這樣，采樣和轉換共需花費20個時鐘周期。另外，當外部時鐘采用5 MHz時，ADS8364的轉換時間是3．2μs，對應的采集時間是0．8μs。因此，為了得到最大的輸出數據率，讀取數據可以在下一個轉換期間進行。
??? ADS8364中的采樣／保持模塊以最大吞吐率250 kB工作，它的輸入帶寬大于ADC的奈奎斯特頻率。而典型的小信號帶寬是300 MHz。孔徑延遲時間為5 ns，每次的平均增量為5 ops。這些特性反映了ADS8364接收輸人信號的能力。
1．1 A／D前端信號調理電路
??? 鑒于多通道信號采集的時序的重要性，這里選用差分放大電路對信號進行調理。
??? 采用TI公司的運算放大器OPA2227組成一個電壓放大器，將輸入電壓轉換到ADS8364的差分輸入電壓范圍。根據需要，可以通過調整放大電路中電阻的大小，改變輸入電壓的范圍，其對應的參數表如表1所示。

??? ADS8364在參考電壓為2．5 V的情況下，其測量范圍為±1．25 V。而實際中的測試信號一般為±2．5 V，±5 V或±lO V，所以，在ADS8364的前端，要經過線性衰減、限幅和濾波。其調理電路原理圖，如圖1所示。

1．2 A／D電源電路
??? 數據采集電路需要完成高精度的數據采集，因此電源部分的設計是相對比較重要的。

??? 在作進一步的分析之前，需要說明采樣精度和有效位都是對采樣質量高低的描述。設采樣精度為vp，有效位為N，基準電壓為vREF，基準電壓噪聲電平為VN，則有

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2 USB接口模塊設計
??? Cypress Semiconductor公司的EZ-USB FX2是世界上的第一款集成USB2．0的微處理器，它集成了USB2．0收發器、SIE(串行接口引擎)、增強型8051微控制器和可編程的外圍接口。FX2這種獨創性結構可使數據傳輸率達到56 MB·s-1，即USB2．0允許的最大帶寬。EZ-USB FX2 CY7C68013的微處理器是一個增強型的805l內核，性能可達標準8051的5～10倍，并與標準805l的指令完全兼容。增強型的8051內核使用RAM芯片作程序指令和數據存儲器，從而使得EZ-USB FX2 CY7C68013具有“軟”特性，也就是說，可以通過自行編寫程序指令來實現所需的功能。

??? 由于USB通信是本系統設計主要的任務目標，所以在設計時也充分考慮到系統的可擴展性，所有的信號引腳都有排線引出，方便了測試和擴展。

3 FPGA邏輯電路
??? 圖4為采集傳輸系統中FPGA與各模塊的連接。

??? 整個電路選用Altera公司推出的新一代低成本的Cyclone系列FPGA器件EPlC6Q240作為控制和信號處理芯片。EPlC6Q240型FPGA芯片具有強大的硬件邏輯功能，總邏輯單元達5 980個，有I／O引腳181個，92 160位的內部存儲單元，20個RAM單元，2個鎖相環。利用這些強大的功能，可以很容易進行模塊控制和數據動態濾波。如圖4所示，通過FPGA對A／D進行采樣控制，將A／D采樣的數據進行數字濾波后傳送到RAM中進行，或是直接通過USB模塊將數據床送到電腦中進行處理。
??? 采用VerilogHDL硬件語言編程來對A／D采集，RAM傳輸，USB傳輸等進行控制信號輸出，并對采樣的數據進行數字濾波。
??? A／D數據接口模塊實現對ADS8364數據的采樣，采樣后的數據進行濾波處理。本模塊對ADS8364的控制引腳有：
??? (1)模擬采樣通道控制信號為／HOLDA，／HOLDB，／HOLDC；
??? (2)數據輸出模式以及通道選擇信號為A0，A1和A2；
??? (3)讀控制信號為／RD。

??? 首先將5 MHz時鐘和使能信號相與產生新時鐘，使用該時鐘驅動一個20個狀態的狀態機。在計數器值為15時將HOLDa，HOLDb，HOLDc置0，啟動一次數據采樣。在計數值為2～3，4～5，6～7，8～9，10～ll，12～13且相應的通道得到使能時，分別發出通道l至通道6的通道地址。在計數值為3，5，7，9，ll，13時發出讀信號讀取相應通道的數據。在計數值為15時發出采樣完畢信號，指示6通道數據已經采集完畢。
??? USB控制電路分兩個模塊完成。模塊1實現主機向FPGA寄存器單元的配置，模塊2實現FPGA向主機的數據包輸出。

??? 模塊1實現在地址IO模式下向寄存器寫數據。寫時序如圖7所示。可以根據地址線和PWR信號實現對某寄存器的寫控制。

??? 模塊2實現在DMA模式下FPGA向主機的批量數據傳輸。同步DMA的時序圖如圖8所示(時鐘由FPGA提供)。

??? 本系統使用一個狀態機實現該功能，狀態機在“查找”和“傳輸”兩個狀態之間切換。系統啟動以后首先進入查詢FIFO的狀態，在查詢到FIFO中的數據量大于一個USB數據包(2 040 bit)時，狀態機進入到“傳輸”狀態。在“傳輸”狀態下，按照上述同步。DMA寫時序，首先傳輸6 bit包頭，然后傳輸2 040 bit數據，最后傳輸2 bit數據校驗。在數據傳輸的過程中，電路要一直查詢DMAING的狀態，檢測到：DMAING為低時要暫停數據傳輸。在傳輸完2 kB數據后，狀態機再轉入到“查詢”狀態，進行下一輪數據傳輸狀態。
??? 系統當前的工作時鐘為20 MHz，在USB接口處可以達到的最大帶寬約為10 MB，系統分頻給A／D的時鐘為5 MHz，這樣可以保證A／D接口的最大帶寬達到3 MB。在Flash接口處的帶寬約為5 MB。將時鐘速度提升l倍，則USB口的傳輸能力可以達到約20 MB。
??? 數據處理與儲存模塊主要是FPGA將高速A／D采集到的數據進行打包、暫存。本套電路中使用了一片由，TI公司生產的高速靜態RAM IS61-LV51216作為數據暫存器件；由FPGA對這片RAM存儲器進行監控。

4 結束語
??? 采用USB協議的數據采集卡可以滿足對數據進行多通道的高精度采集、處理和傳輸，在數據有效采集的情況下，擺脫了對端口的依賴。