基于USB的高精度多通道数据采集卡设计

摘要：详细叙述了用USB控制器CY7C68013与A／D转换器ADS8364，构成高精度多路同步数据采集卡的过程，并给出了相应的前端电路和FPGA的控制流程。数据采集卡通过USB协议进行数据传输，增加了数据传输的有效性和采集卡的通用性。ADS8364可以进行6通道高精度的数据采集，符合大部分的数据采集要求。通过运用FPGA对数据采样，传输等进行控制，并在传输过程中进行一些基本的数据处理。
关键词：数据采集；USB；A／D；FPGA

    在电子测量中，不仅需要对多路信号进行高精度的采集和预处理，而且要将其快速地传送到计算机，以便于对测量的监测。文中选用ADS8364来进行多通道信号采集，通过CY7C68013芯片采用USB2．O协议进行数据的快速传输。

1 多通道，高精度的A／D转换
    ADS8364是美国TI公司生产的高速、低功耗，6通道同步采样16位模数转换器。ADS8364采用+5 V工作电压，并带有80 dB共模抑制的全差分输入通道以及6个4μs连续近似的模数转换器、6个差分采样放大器。
    当ADS8364采用5 MHz的外部时钟来控制转换时，它的取样率是250 kHz，同时对应于4μs的最大吞吐率，这样，采样和转换共需花费20个时钟周期。另外，当外部时钟采用5 MHz时，ADS8364的转换时间是3．2μs，对应的采集时间是0．8μs。因此，为了得到最大的输出数据率，读取数据可以在下一个转换期间进行。
    ADS8364中的采样／保持模块以最大吞吐率250 kB工作，它的输入带宽大于ADC的奈奎斯特频率。而典型的小信号带宽是300 MHz。孔径延迟时间为5 ns，每次的平均增量为5 ops。这些特性反映了ADS8364接收输人信号的能力。
1．1 A／D前端信号调理电路
    鉴于多通道信号采集的时序的重要性，这里选用差分放大电路对信号进行调理。
    采用TI公司的运算放大器OPA2227组成一个电压放大器，将输入电压转换到ADS8364的差分输入电压范围。根据需要，可以通过调整放大电路中电阻的大小，改变输入电压的范围，其对应的参数表如表1所示。

    ADS8364在参考电压为2．5 V的情况下，其测量范围为±1．25 V。而实际中的测试信号一般为±2．5 V，±5 V或±lO V，所以，在ADS8364的前端，要经过线性衰减、限幅和滤波。其调理电路原理图，如图1所示。

1．2 A／D电源电路
    数据采集电路需要完成高精度的数据采集，因此电源部分的设计是相对比较重要的。
    在作进一步的分析之前，需要说明采样精度和有效位都是对采样质量高低的描述。设采样精度为vp，有效位为N，基准电压为vREF，基准电压噪声电平为VN，则有

2 USB接口模块设计
    Cypress Semiconductor公司的EZ-USB FX2是世界上的第一款集成USB2．0的微处理器，它集成了USB2．0收发器、SIE(串行接口引擎)、增强型8051微控制器和可编程的外围接口。FX2这种独创性结构可使数据传输率达到56 MB·s-1，即USB2．0允许的最大带宽。EZ-USB FX2 CY7C68013的微处理器是一个增强型的805l内核，性能可达标准8051的5～10倍，并与标准805l的指令完全兼容。增强型的8051内核使用RAM芯片作程序指令和数据存储器，从而使得EZ-USB FX2 CY7C68013具有“软”特性，也就是说，可以通过自行编写程序指令来实现所需的功能。

    由于USB通信是本系统设计主要的任务目标，所以在设计时也充分考虑到系统的可扩展性，所有的信号引脚都有排线引出，方便了测试和扩展。

3 FPGA逻辑电路
    图4为采集传输系统中FPGA与各模块的连接。

    整个电路选用Altera公司推出的新一代低成本的Cyclone系列FPGA器件EPlC6Q240作为控制和信号处理芯片。EPlC6Q240型FPGA芯片具有强大的硬件逻辑功能，总逻辑单元达5 980个，有I／O引脚181个，92 160位的内部存储单元，20个RAM单元，2个锁相环。利用这些强大的功能，可以很容易进行模块控制和数据动态滤波。如图4所示，通过FPGA对A／D进行采样控制，将A／D采样的数据进行数字滤波后传送到RAM中进行，或是直接通过USB模块将数据床送到电脑中进行处理。
    采用VerilogHDL硬件语言编程来对A／D采集，RAM传输，USB传输等进行控制信号输出，并对采样的数据进行数字滤波。
    A／D数据接口模块实现对ADS8364数据的采样，采样后的数据进行滤波处理。本模块对ADS8364的控制引脚有：
    (1)模拟采样通道控制信号为／HOLDA，／HOLDB，／HOLDC；
    (2)数据输出模式以及通道选择信号为A0，A1和A2；
    (3)读控制信号为／RD。

    首先将5 MHz时钟和使能信号相与产生新时钟，使用该时钟驱动一个20个状态的状态机。在计数器值为15时将HOLDa，HOLDb，HOLDc置0，启动一次数据采样。在计数值为2～3，4～5，6～7，8～9，10～ll，12～13且相应的通道得到使能时，分别发出通道l至通道6的通道地址。在计数值为3，5，7，9，ll，13时发出读信号读取相应通道的数据。在计数值为15时发出采样完毕信号，指示6通道数据已经采集完毕。
    USB控制电路分两个模块完成。模块1实现主机向FPGA寄存器单元的配置，模块2实现FPGA向主机的数据包输出。

    模块1实现在地址IO模式下向寄存器写数据。写时序如图7所示。可以根据地址线和PWR信号实现对某寄存器的写控制。

    模块2实现在DMA模式下FPGA向主机的批量数据传输。同步DMA的时序图如图8所示(时钟由FPGA提供)。

    本系统使用一个状态机实现该功能，状态机在“查找”和“传输”两个状态之间切换。系统启动以后首先进入查询FIFO的状态，在查询到FIFO中的数据量大于一个USB数据包(2 040 bit)时，状态机进入到“传输”状态。在“传输”状态下，按照上述同步。DMA写时序，首先传输6 bit包头，然后传输2 040 bit数据，最后传输2 bit数据校验。在数据传输的过程中，电路要一直查询DMAING的状态，检测到：DMAING为低时要暂停数据传输。在传输完2 kB数据后，状态机再转入到“查询”状态，进行下一轮数据传输状态。
    系统当前的工作时钟为20 MHz，在USB接口处可以达到的最大带宽约为10 MB，系统分频给A／D的时钟为5 MHz，这样可以保证A／D接口的最大带宽达到3 MB。在Flash接口处的带宽约为5 MB。将时钟速度提升l倍，则USB口的传输能力可以达到约20 MB。
    数据处理与储存模块主要是FPGA将高速A／D采集到的数据进行打包、暂存。本套电路中使用了一片由，TI公司生产的高速静态RAM IS61-LV51216作为数据暂存器件；由FPGA对这片RAM存储器进行监控。

4 结束语
    采用USB协议的数据采集卡可以满足对数据进行多通道的高精度采集、处理和传输，在数据有效采集的情况下，摆脱了对端口的依赖。