基于USB接口的实用型数据采集卡设计

摘要: 本文采用一种新型的通信标准USB，研制出一种基于USB接口的实用型数据采集卡。硬件是一外置式的密封设备，软件具有很好的用户图形界面。整个系统功能齐全、操作简单，采样速度24MB/s达到国内先进水平。详细论述了高速数据采集系统的硬件设计，并且对系统所使用的主要芯片和相关技术做了说明；本文还对USB驱动程序、固件程序和应用层程序进行了开发。

关键字: 数据采集；USB；数模转换；CPLD

1 引言

随着低成本高性能的计算机资源普及运用、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，数字化测量平台逐渐成为测量仪器的基础。所有测量测试仪器的主要功能由数据采集采集与控制、数据分析与处理、结果的表达与输出三大部分组成。高质量的A/D采集卡及调理放大器是影响其发展的一个重要因素。本文实现了基于USB接口的实用型数据采集卡的设计。

2数据采集卡的结构设计

本文采用集散型的系统结构，定位为高速、双通道的数据采集系统。整个系统采用模块化技术，各个模块通过总线连接。设计时将整个系统划分为四个相互关联的有机部分，即信号调理模块、数据采集模块、CPLD控制模块和软件操作平台。模块间连接关系如图1所示。

图1 模块间的连接

高速数据采集卡的设计的关键是高速ADC的选择和经采样得到的高速数据如何被送到计算机里进行处理，在本章中将详细介绍关于高速数据采集卡的各模块的设计。高速数据采集卡硬件部分的设计从功能上主要包括信号调理模块、高速模数转换模块、CPLD控制模块以及与计算机接口部分电路组成。

2.1 信号调理模块的设计

在高速数据采集系统中，现场输入信号是高频的模拟信号，信号变化的范围都比较大，如果采用单一的增益放大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应地调整放大器的增益。在自动化程度较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，AD8321正是这样一种具有增益可编程功能的芯片。AD8321是美国AD工公司生产的一种增益可编程线驱动器，可广泛应用于多种领域。它具有频带宽、噪声低、增益可编程且易于与单片机进行串行通信等优点，十分适合在数据采集系统做前置放大。本文的高速数据采集系统原理图如图2。

图2 高速数据采集系统原理图

在此系统中，高频模拟信号线输入到AD8321，经程控放大后再输送到具有采样保持功能的模数转换器中，因为采样频率为高频，所以在A/D后接在EZ-USB FX2芯片，然后再连到计算机上。

2.2 高速模数转换模块的设计

图3 AD9059管脚及基本连接

高速数据采集卡的核心是高速模数转换器，它直接影响了整个数据采集卡的性能指标，所以选择合适的高速模数转换器是至关重要的。

本文采用的高速模数转换器是AD公司生产的AD9059, AD9059是8位单片双通道模数转换器，主要有两个跟踪/保持电路(T/H)、2个模数转换器(ADCa, ADCb)和一个2.5V的基准电源等组成，具有高速、高性能、低功耗及易使用等特性，60MSPS的编码速率和120MHz的最大功率模拟带宽使其在多路数据采样系统中表现出优秀的动态性能。大部分情况下，AD9059仅需要一个单极性的5V电源和一个编码时钟即能正常工作。编码时钟提供与TTL/CMOS兼容的逻辑数据输出，并控制两个模数转换通道同时对数据进行采样。如长时间不需要采集数据，可启动体眠模式使总功耗小于12MW。AD9059的管脚和基本连接如图3所示。管脚AINA, AINB为双通道模拟输入;VREF为参考电压，一般可以采用内部2.5V的参考电压。理论上模拟电压的输入范围与参考电压有关，Vrange (p-p)=VREF/2.5, Vmidscale=VREF。PWRDN为掉电功能选择，当 PWRDN为逻辑高电平时，AD9059处于掉电模式，这时，所有的逻辑输出变为高阻态，VD为+5V模拟供电电压，VDD为逻辑输出供电电压，D0A-D7A和D0B-D7B为双通道数据输出，ENCODE为编码时钟，最大采样时钟为60MHZ, ADC在时钟的上升沿开始采样。经过A/D转换后的数据直接传送到FX2的数据线上。ADC的时钟及控制信号等由CPLD提供。

作者：刘向文 来源：微计算机信息