基于USB接口的便携式信号采集器

0 引言
    在高速信号采集设备中，高速采集和实时数据的存储是一对固有矛盾。特别是在一些强调便捷性的场合中，这个问题愈发突出。该问题与设备接口、数据存储介质和控制方式三个方面相关。目前数据采集系统的接口方式很多，如RS 232串行口、并行口、ISA总线、PCI总线、PXI总线、USB等。RS 232明显满足不了速度的要求，PCI总线和PXI总线速度快，但是该接口方式通用性比较差，软件复杂，不易实现。USB 2．O传输速度可达480MSPS，支持即插即用，方便快捷，通用性强。数据存储介质多采用硬盘。硬盘具有体积大，容量大的特点。然而NAND FLASH具有体积小，速度快，操作方便的优点。
    采集控制多采用虚拟仪器设备，这类设备需要使用电脑，功能强大，还需要操作系统的支持。采用FPGA作为控制核心，具有体积小，灵活等特点。所以采取USB和FPGA及NAND FLASH的采集设备具有灵活、便捷、高速的特点。采取间断性的采集方式能够很好地解决高速采集与实时数据存储之间的固有矛盾。

1 采集设备系统设计
    该系统能够实现最高采样率80 MHz，其采样宽度为14位，输入电压峰峰值为2 V，最大存储容量为2 GB。该系统由6大部分组成，分别是模／数转换单元、缓存单元、USB传输单元、数据存储单元、总控制单元、系统的电源设计。系统框图如图1所示。

1．1 模／数转换单元
    A／D转换的最高采样率为80 MSPS，输出为14位的二进制补码数据。芯片支持差分模拟信号的输入，并且输出CMOS兼容电压。
1．2 缓存单元
    由于前端A／D的最高采样率为80 MSPS，因此需要先对数据进行缓冲后才能将数据不丢失存储；又因为要满足最高采集1 MB的连续模拟信号，且不丢失数据，因此缓存的容量至少为1 MB。采用的异步型SRAM IS61LV51216，存取时间为10 ns，单片容量为1 MB，故满足了这个要求。
1．3 数据存储单元
    按便携式采集不能采用磁介质存储设备，同时还需要较存储容量，因SAMSUNG公司的K9K8G08UOA芯片作为存储芯片具有体积小，重量轻，单片容量8 Gb等特点。并且可以更换为单片64 Gb的NAND FLASH芯片实现目前8倍存储容量的升级，故采用它。
1．4 USB传输单元
    采用USB接口进行数据传输具有方便、灵活的特点。采用CY7C68013 USB控制芯片容易实现将采集后的数据传输到电脑。
1．5 总控制单元
    总控单元采用2片FPGA作为采集存储的控制核心，型号为EPC2C8208。总控制单元负责控制协调模／数转换单元、缓存单元、数据存储单元以及USB传输单元之间的数据传输，以实现系统的整体设计功能。
1．6 系统的电源设计
    在整个系统中利用5 V为直接输入电压(5 V电压可以是电压源输入的也可以利用USB总线供电)，利用电源转换芯片LT_1764-3．3得到3．3 V电压，用PTH05000得到1．2 V电压。

2 采集设备系统工作模式
    该采集系统采取数据导入和采集两种工作模式；两种工作模式独立工作方式来降低系统复杂度，采集模式在采集控制按键按下后开始信号采集，数据存储完成后进行LED报警表示采集完成；数据导入模式中存储的数据从FLASH中向计算机中导入，导入完成后提示。
    采用SRAM和FLASH双乒乓的方式进行工作模式，系统实现最大的信号的吞吐率。图2，图3分别为2种工作模式的流程。

3 系统软件实现
    软件部分分为FPGA读／写FLASH及SRAM软件模块、CY7C68013进行USB传输软件模块、人机接口上位机软件模块三个部分。
3．1 FPGA读／写FLASH及SRAM软件模块
    该功能利用VHDL语言产生，模块主要由SRAM读／写、FLASH读／写及读／写切换3个部分组成。时序如图4所示。

3．2 CY7C68013固件程序模块
    固件程序主要负责初始化工作并完成相应的配置。其程序框架如图5所示。

3．3 上位机软件模块
    本设计中上位机的应用程序利用VC++6．0来开发，它通过驱动程序完成对外设的控制和通信，当程序启动后，自动查询是否有EZ-USB设备连接，如果有，则用CreateFile()系统函数打开此设备，获得该设备在操作系统中的句柄(HANDLE)，然后通过该句柄用DeviceIOControl()系统函数向驱动程序发送控制字。驱动程序根据控制字向硬件层发送IRQ并与设备通信。

4 实际效果
   该测试时钟和信号均由信号源输入。采集完毕后通过USB将数据上传到电脑，并用Matlab进行波形显示。
    图6给出输入信号频率分别为1 MHz和80 MHz时实际采样存储后的仿真波形，2幅图的输入电压幅度相同(-0．5～+0．5 V)，采样后的数值大小不同，因为输入信号频率的变化引起传输通路阻抗的改变，从而使实际A／D输入端的电压发生变化，所以数值不同。

5 结语
    经过最终测试，该系统最高采样率为80 MHz。能够采集存储20 MHz的正弦波信号。对1 MHz以下信号采样不丢失。2G BYTE的数据存储，灵活的通过USB接口上传到电脑上，以实现对数据的分析。并且体积轻小、便于携带。系统在设计之初考虑了系统的可扩展性。可扩充为2片16位的SRAM和4片NANDFLASH芯片，这样只要在软件方面修改，就可以实现两路的乒乓FLASH存储，这样采集及存储的效率还会提高1倍。并且如果将板上的NAND FLASH用同一系列的更大容量芯片来代替，可进一步提高存储容量。