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、性能價格比、可操作性等方面均具有明顯的技術優勢。

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

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

　　本系統的下位機支持2個通道的傳感器信號進行A/D轉換，其最高采樣效率為120MHz，采樣轉換精度為8位，系統采用了一個內含先進先出(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間進行其他處理，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秀的動態性能。大部分情況下，AD9059僅需要一個單極性的5V電源和一個編碼時鐘即能正常工作。編碼時鐘提供與TTL/CMOS兼容的邏輯數據輸出，并控制兩個A/D轉換通道同時對數據進行采樣。如長時間不需要采集數據，可啟動休眠模式使總功耗小于12mW。ADC的時鐘及控制信號等由CPLD提供。

CPLD的選擇

　　在高速數據采集卡中，時序復雜而且精細，可能會因為一個門的時延，而導致整個硬件電路的失敗。所以在本設計中采用了CPLD來實現電路的數字控制功能。

　　CPLD主要任務是負責在EZ-USB FX2(即CY7C68013)處于Slave FIFO模式時實現讀/寫控制信號、時鐘、輸出使能、端點的選擇以及對放大器和ADC的控制等功能。?

　　基于CPLD容易開發升級的優點，在本設計中，所有的數字電路部分，全部是在CPLD內實現的，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，編程語言為ABEL語言。

　　經過在實踐中檢驗，在高速數據采集卡中，用ISP1032來實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，經過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行串行通信等優點，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，再經過USB接口由EZ-USB FX2傳給AD8321。