基于USB 2.0的高速數據采集卡在虛擬儀器中的應用

　　虛擬儀器，就是在通用計算機平臺上，用戶(hù)根據自己的需求定義和設計儀器的測試功能，與傳統儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性能價(jià)格比、可操作性等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

　　本文將著(zhù)重介紹一種新型優(yōu)良的下位機—基于USB2.0的高速數據采集卡在虛擬儀器中的應用。

　　本文重點(diǎn)分析的下位機即智能A/D，是虛擬儀器硬件設備中的關(guān)鍵環(huán)節。下位機通過(guò)特定接口接受來(lái)自上位機的指令并向上位機提供自身所處的狀態(tài)：在收到采集指令后，對傳感器發(fā)送的模擬電信號進(jìn)行A/D采樣以轉化為數字信號，然后將數字信號通過(guò)USB接口傳給上位機。

　　本系統的下位機支持2個(gè)通道的傳感器信號進(jìn)行A/D轉換，其最高采樣效率為120MHz，采樣轉換精度為8位，系統采用了一個(gè)內含先進(jìn)先出(FIFO)內存的USB2.0控制芯片，該內存用于存放A/D轉換后的數據，使用FIFO可以有效地緩沖采集數據，減少頻繁的指令傳送，使上位機有更多的時(shí)間進(jìn)行其他處理，并且不容易丟失數據。該下位機可以編程控制采集頻率和采樣增益，具有較大的靈活性。

基于USB2.0的高速

數據采集卡

硬件系統

　　虛擬儀器硬件的核心部分是USB設備接口模塊，其功能是由硬件和軟件共同來(lái)完成的。USB接口示意圖如圖2所示。下面介紹一下主要功能模塊器件的選擇和功用。

ADC的選擇

　　本設計中選用了AD9059。該器件是8位單片雙通道ADC，具有高速、高性能、低功耗及易使用等特性，60MSPS的編碼速率和120MHz的最大功率模擬帶寬使其在多路數據采樣系統中表現出優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)性能。大部分情況下，AD9059僅需要一個(gè)單極性的5V電源和一個(gè)編碼時(shí)鐘即能正常工作。編碼時(shí)鐘提供與TTL/CMOS兼容的邏輯數據輸出，并控制兩個(gè)A/D轉換通道同時(shí)對數據進(jìn)行采樣。如長(cháng)時(shí)間不需要采集數據，可啟動(dòng)休眠模式使總功耗小于12mW。ADC的時(shí)鐘及控制信號等由CPLD提供。

CPLD的選擇

　　在高速數據采集卡中，時(shí)序復雜而且精細，可能會(huì )因為一個(gè)門(mén)的時(shí)延，而導致整個(gè)硬件電路的失敗。所以在本設計中采用了CPLD來(lái)實(shí)現電路的數字控制功能。

　　CPLD主要任務(wù)是負責在EZ-USB FX2(即CY7C68013)處于Slave FIFO模式時(shí)實(shí)現讀/寫(xiě)控制信號、時(shí)鐘、輸出使能、端點(diǎn)的選擇以及對放大器和ADC的控制等功能。?

　　基于CPLD容易開(kāi)發(fā)升級的優(yōu)點(diǎn)，在本設計中，所有的數字電路部分，全部是在CPLD內實(shí)現的，本設計采用了Lattice公司的ISP1032芯片，所用的EDA軟件是Lattice公司的ispEXPERT系統，編程語(yǔ)言為ABEL語(yǔ)言。

　　經(jīng)過(guò)在實(shí)踐中檢驗，在高速數據采集卡中，用ISP1032來(lái)實(shí)現數字邏輯電路功能，可以使高速數據采集卡工作穩定，各方面性能良好。

信號調理模塊

　　在高速數據采集系統中, 現場(chǎng)輸入信號是高頻的模擬信號，信號變化的范圍都比較大,如果采用單一的增益放大,那么放大以后的信號幅值有可能超過(guò)A/D轉換的量程，所以必須根據信號的變化相應地調整放大器的增益。在自動(dòng)化程度較高的系統中,希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益，經(jīng)過(guò)考慮本文選擇具有增益可編程功能的芯片—AD8321。該芯片具有頻帶寬、噪聲低、增益可編程且易于與單片機進(jìn)行串行通信等優(yōu)點(diǎn)，十分適合在數據采集系統做前置放大。程控放大模塊的的控制字可在labview設定，再經(jīng)過(guò)USB接口由EZ-USB FX2傳給AD8321。