基于USB接口的實用型數據采集卡設計

摘要: 本文采用一種新型的通信標準USB，研制出一種基于USB接口的實用型數據采集卡。硬件是一外置式的密封設備，軟件具有很好的用戶圖形界面。整個系統功能齊全、操作簡單，采樣速度24MB/s達到國內先進水平。詳細論述了高速數據采集系統的硬件設計，并且對系統所使用的主要芯片和相關技術做了說明；本文還對USB驅動程序、固件程序和應用層程序進行了開發。
關鍵字: 數據采集；USB；數模轉換；CPLD

1 引言

隨著低成本高性能的計算機資源普及運用、大規模集成電路技術和通訊技術的飛速發展，數字化測量平臺逐漸成為測量儀器的基礎。所有測量測試儀器的主要功能由數據采集采集與控制、數據分析與處理、結果的表達與輸出三大部分組成。高質量的A/D采集卡及調理放大器是影響其發展的一個重要因素。本文實現了基于USB接口的實用型數據采集卡的設計。

2數據采集卡的結構設計

本文采用集散型的系統結構，定位為高速、雙通道的數據采集系統。整個系統采用模塊化技術，各個模塊通過總線連接。設計時將整個系統劃分為四個相互關聯的有機部分，即信號調理模塊、數據采集模塊、CPLD控制模塊和軟件操作平臺。模塊間連接關系如圖1所示。

圖1 模塊間的連接

高速數據采集卡的設計的關鍵是高速ADC的選擇和經采樣得到的高速數據如何被送到計算機里進行處理，在本章中將詳細介紹關于高速數據采集卡的各模塊的設計。高速數據采集卡硬件部分的設計從功能上主要包括信號調理模塊、高速模數轉換模塊、CPLD控制模塊以及與計算機接口部分電路組成。

2.1 信號調理模塊的設計

在高速數據采集系統中，現場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，AD8321正是這樣一種具有增益可編程功能的芯片。AD8321是美國AD工公司生產的一種增益可編程線驅動器，可廣泛應用于多種領域。它具有頻帶寬、噪聲低、增益可編程且易于與單片機進行串行通信等優點，十分適合在數據采集系統做前置放大。本文的高速數據采集系統原理圖如圖2。

圖2 高速數據采集系統原理圖

在此系統中，高頻模擬信號線輸入到AD8321，經程控放大后再輸送到具有采樣保持功能的模數轉換器中，因為采樣頻率為高頻，所以在A/D后接在EZ-USB FX2芯片，然后再連到計算機上。