基于LABVIEW平臺的USB接口多路高速數據采集系統的

引言

　　在日常的測試測量中，經(jīng)常使用數據采集卡采集數據。但是很多數據采集卡往往通過(guò)PCI總線(xiàn)完成數據的傳輸，它有諸多弊端，例如操作不便，受限于計算機插槽數量和中斷資源，現場(chǎng)信號對計算機安全有威脅，計算機內部的強電磁干擾對被測信號也會(huì )造成很大的影響，最耗時(shí)最復雜的數據分析卻由用戶(hù)通過(guò)第三方軟件(如VC，VB等) 在PC機上編寫(xiě)上位機軟件來(lái)完成，因此用戶(hù)不得不在這方面花費大量精力。這些問(wèn)題都遏制了基于PCI總線(xiàn)的數據采集系統的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應用，因此迫切需要設計一種更為簡(jiǎn)便通用的高速數據采集通信系統來(lái)完成數據采集以及與計算機的數據交互。

　　近年來(lái)通用串行總線(xiàn)(USB)以即插即用等技術(shù)優(yōu)勢得到了廣泛的應用，INTEL等公司最近公布了USB 3.0主控制器規范，該標準的數據傳輸速率有望達5Gbps，且支持雙向同時(shí)傳輸，完全可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)數據采集的要求。LABVIEW是美國NI公司基于圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境，內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，集開(kāi)發(fā)、調試、運行于一體，其交互式的Express VI 易與各種范圍的I/O信號連接，可以非常容易地與各種主流的現場(chǎng)總線(xiàn)通信以及與大多數通用數據庫鏈接，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)進(jìn)程。如果根據DSP本身的特點(diǎn)，把DSP集成到采集卡上，并把數據采集和部分數據處理工作留給DSP來(lái)完成，然后計算機再利用LABVIEW強大的數據處理顯示功能，這無(wú)疑將大大提高測量速度和精度。

　　系統總體設計方案

　　本文提出了一種基于LABVIEW的USB接口高速數據采集系統的設計，充分利用DSP豐富的片上外設以及高性能的數字信號處理能力，將采集的數據經(jīng)DSP處理后通過(guò)高速USB接口傳輸到PC機上，通過(guò)LABVIEW軟件按照用戶(hù)的特定要求來(lái)處理并顯示。

　　TMS320F2812型DSP芯片是TI公司推出的具有高速處理能力的高精度32位定點(diǎn)數字信號控制器，指令速度高達150MIPS，片內集成了模數轉換器(A/D轉換器)、脈寬調制電路、捕獲單元、光電編碼器、串行外設接口等模塊，為進(jìn)一步拓展DSP的應用領(lǐng)域提供了豐富的資源。本設計采用TMS320F2812芯片(DSP)作為數據采集與控制單元，以CYPRESS公司的高速USB接口芯片CY7C68001為基礎，利用DSP片上A/D轉換器采集數據，經(jīng)處理后把數據通過(guò)USB總線(xiàn)傳輸至PC機，PC機接收到數據后按照用戶(hù)的要求通過(guò)LABVIEW處理并顯示數據。該系統主要有三部分組成：4通道被測信號調理部分、數據采集控制處理部分和上位機控制面板部分，系統總體框圖如圖1所示。

　　系統硬件設計

　　信號調理模塊

　　由于被測輸入信號范圍為-15V~+15V，而DSP片上高速A/D轉換器要求輸入信號必須為0～3V,所以需要對被測信號進(jìn)行調理。

　　信號調理模塊主要由高速運算放大器AD8028組成。很多運放都有這樣一個(gè)特點(diǎn)：當輸入信號接近門(mén)檻電壓時(shí)，輸出從一個(gè)差分對到另一個(gè)差分對變換時(shí)會(huì )產(chǎn)生失真，再加上信號調理模塊對輸入信號衰減的比例很大，如果設計不當誤差會(huì )更大，因此運放的選擇非常關(guān)鍵。AD8028是Analog Devices公司的軌到軌輸入輸出的高速運算放大器，工作電壓2.7V-12V，共模抑制比110dB,帶寬190MHz，壓擺率100V/μS，它有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：即允許用戶(hù)通過(guò)片上特定的引腳選擇門(mén)檻電壓，這無(wú)疑大大減小了失真，因此AD8028是一個(gè)理想的選擇，其單通道信號調理模塊電路圖如圖2所示。

　　數據采集模塊

　　DSP片上ADC模塊是可配置為2個(gè)獨立的8通道模塊、也可以級聯(lián)構成一個(gè)16通道的帶流水線(xiàn)的12位ADC，最高采樣速率12.5MHz，流水線(xiàn)轉換時(shí)間是80ns，單次轉換時(shí)間是200ns。該模塊主要由前向模擬多路復用開(kāi)關(guān)、采樣/保持電路、變換內核、結果寄存器、排序器、電壓參考等部分組成，ADC模塊的功能框圖如圖3所示。

　　USB從接口CY7C68001模塊

　　CY7C68001集成有USB2.0收發(fā)器（物理層）、USB2.0串行接口引擎SIE（鏈路層）、4kB的FIFO和電壓調節器、鎖相環(huán)，支持高速（480Mb/s）或全速（12Mb/s）傳輸，3.3V操作電壓，具有同步與異步的FIFO接口，支持USB2.0協(xié)議要求的全部4種傳輸方式（控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸），可以滿(mǎn)足用戶(hù)對各種數據傳輸方式的需求。片上的串行接口處理器（SIE）能完成大部分的USB協(xié)議操作，使用戶(hù)可以擺脫復雜的協(xié)議細節，簡(jiǎn)化用戶(hù)配置代碼，加快程序開(kāi)發(fā)過(guò)程。但是由于不帶MCU內核，所以USB應用層協(xié)議應該由DSP編程實(shí)現，USB固件的加載必須靠DSP控制來(lái)完成。