雙通道同步高速數據采集器的設計

　　摘要：本文設計了一種Windows操作系統環境下通過USB接口實現的雙通道同步高速數據采集器。該采集器利用FT2232H接口芯片完成上位機USB口與ADC轉換器件之間的數據通訊。采集器中設置有一個微處理器(MCU)，上位機通過USB口發布命令給數據采集器，可以控制采樣頻率、數據長度及數據傳輸速率等參數。該采集器設置有兩路同步工作的ADC，可實現雙通道信號高速采集，最高采樣頻率可以達到10MSPS。

　　引言

　　作為信號處理的第一步，數據的采集傳輸成為影響系統性能的重要環節。RS232等傳統串口不僅難以滿足高速要求，且被主流筆記本所摒棄，而USB接口具有連接方便，高速，即插即用，支持熱插拔等優點，使其成為PC機的標準配置，應用范圍越來越廣。很顯然，利用USB標準實現對儀器儀表輸出的模擬信號采集和數據傳輸已經成為趨勢。梁鴻翔等人利用Cypress公司的USB控制芯片CY7C68013和同步數據采集芯片AD7862實現雙通道信號的同步采集傳輸，但其驅動開發復雜，靈活性差等缺點，限制了其應用范圍。本文采用FT2232H作為USB協議轉換芯片，連接兩路獨立的ADC，配套底層驅動，避免了驅動開發的難題，而且靈活性好，可擴展性高。

　　系統組成

　　本文數據采集器由MCU，FT2232H接口芯片，兩路ADC(本文為ADC1173)和電源轉換電路等組成，其結構框圖如圖1所示。　　

　　本采集器以FT2232H接口芯片為核心，完成并行接口與USB接口之間的協議轉換。MCU為控制單元，執行系統初始化設置并接收由FT2232H下傳的上位機控制命令，根據相應命令對兩路ADC進行啟動和停止采樣等控制，并設置ADC的采樣頻率。ADC采集的數據通過8位并行數據總線存入FT2232H的接收緩存FIFO中，經協議轉換后通過USB接口傳到上位機進行處理與存儲。MCU自帶的RS232口可以用于外部部件的低速數據通訊，比如海洋儀器設備的GPS接口數據等，增強系統的可擴展性。

　　系統硬件設計

　　系統硬件設計主要包括電源部分設計，各器件之間的接口設計和一些輔助電路設計。本文采用TPS54140電源芯片，外部24V電壓供電，轉換為系統所需的3.3V。系統硬件電路設計的重點是FT2232H與ADC的接口設計和FT2232H與MCU的接口設計。

　　FT2232H與ADC的接口設計

　　FT2232H是FTDI公司生產的USB與并行接口協議轉換芯片。其具有兩個多用途的UART/FIFO控制器，每個控制器擁有8K字節緩存(發送和接收各4K字節緩存)，通過其官網提供的配置軟件可以分別對其進行功能配置，應用方便簡單。該芯片還提供在多種系統下的底層驅動，并提供兩種驅動方式，VCP(Virtual Com Port)和D2XX(Direct Drivers)。本文采用D2XX驅動方式，將其配置成兩路相同的FT245異步FIFO接口。

　　將FT2232H的兩個UART/FIFO控制器的數據線分別與兩路ADC的數據輸出線相連。接口具體連接方法如圖2所示。MCU根據上位機命令，設置CLK信號輸出頻率，以決定ADC的采樣頻率。由于ADC1173在CLK的下降沿啟動數據采集，上升沿輸出采集的數據，而FT2232H在WR的下降沿將數據讀入FIFO緩存，所以只需將CLK信號設置相應延時并反相后接入FT2232H的WR(A/B)信號，即可實現數據的同步高速采集傳輸，其時序如圖3所示。