USB接口多路高速數據采集系統的設計

　　引言
　　
　　在日常的測試測量中，經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PCI總線完成數據的傳輸，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造成很大的影響，最耗時最復雜的數據分析卻由用戶通過第三方軟件(如VC，VB等) 在PC機上編寫上位機軟件來完成，因此用戶不得不在這方面花費大量精力。這些問題都遏制了基于PCI總線的數據采集系統的進一步開發和應用，因此迫切需要設計一種更為簡便通用的高速數據采集通信系統來完成數據采集以及與計算機的數據交互。
　　
　　近年來通用串行總線(USB)以即插即用等技術優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，且支持雙向同時傳輸，完全可以滿足實時數據采集的要求。LABVIEW是美國NI公司基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發環境，內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，集開發、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總線通信以及與大多數通用數據庫鏈接，大大簡化了開發進程。如果根據DSP本身的特點，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來完成，然后計算機再利用LABVIEW強大的數據處理顯示功能，這無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DSP處理后通過高速USB接口傳輸到PC機上，通過LABVIEW軟件按照用戶的特定要求來處理并顯示。
　　
　　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，為進一步拓展DSP的應用領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，經處理后把數據通過USB總線傳輸至PC機，PC機接收到數據后按照用戶的要求通過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特點：當輸入信號接近門檻電壓時，輸出從一個差分對到另一個差分對變換時會產生失真，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更大，因此運放的選擇非常關鍵。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，它有一個突出的優點：即允許用戶通過片上特定的引腳選擇門檻電壓，這無疑大大減小了失真，因此AD8028是一個理想的選擇，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個獨立的8通道模塊、也可以級聯構成一個16通道的帶流水線的12位ADC，最高采樣速率12.5MHz，流水線轉換時間是80ns，單次轉換時間是200ns。該模塊主要由前向模擬多路復用開關、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。