USB接口的高速数据采集卡的设计与实现

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:讨论了基于USB接口的高速数据采集卡的实现。该系统采用TI公司的TUSB3210芯片作为USB通信及主控芯片,完全符合USB1.1协议,是一种新型的数据采集卡。 关键词:USB A/D FIFO 固件 现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高,在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中,需要进行高速数据采集。现在通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡或ISA卡,存在以下缺点:安装麻烦;价格昂贵;受计算机插槽数量、地址、中断资源限制,可扩展性差;在一些电磁干扰性强的测试现场,无法专门对其做电磁屏蔽,导致采集的数据失真。 通用串行总线USB是1995年康柏、微软、IBM、DEC等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点,已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于USB的高速数据采集卡充分利用USB总线的上述优点,有效解决了传统高速数据采集卡的缺陷。 1 USB数据采集卡原理 1.1 USB简介 通用串行总线适用于净USB外围设备连接到主机上,通过PCI总线与PC内部的系统总线连接,实现数据传送。同时USB又是一种通信协议,支持主系统与其外设之间的数据传送。USB器件支持热插拔,可以即插即用。USB1.1支持两种传输速度,既低速1.5Mbps和高速12Mbps,在USB2.0中其速度提高到480Mbps。USB具有四种传输方式,既控制方式(Control mode)、中断传输方式(Interrupt mode)、批量传输方式(Bulk mode)和等时传输方式(Iochronous mode)。 考虑到USB传输速度较高,如果用只实现USB接口的芯片外加普通控制器(如8051),其处理速度就会很慢而达不到USB传输的要求;如果采用高速微处理器(如DSP),虽然满足了USB传输速率,但成本较高。所以选择了TI公司内置USB接口的微控制器芯片TUSB3210,开发了具有USB接口的高速数据采集卡。 1.2 系统原理图 系统原理图如图1所示。 整个系统以TUSB3210为核心,负责启动A/D转换,控制FIFO的读写及采样频率的设定,与主机之间的通信及数据传输。 2 USB数据采集卡硬件 2.1 TUSB3210芯片 TUSB3210是TI公司推出的内嵌8052内核并带有USB接口的微控制器芯片。TUSB3210有256字节的内部RAM,8K字节的程序RAM,512字节的USB数据缓冲和端点描述块EDB(Endpoint Descriptor Blocks),4个通用的GPIO端口P0、P1、P2、P3,I2C接口电路,看门狗电路等。 TUSB3210的USB接口符合USB1.1协议,有4个输入端点(Input Endpoint)和4个输出端点(Output End-Point),支持全速和低速传输速率,并具有USB协议所规定的4种传输方式。TUSB3210的USB接口采用串行接口引擎(SIE)编码和解码串行数据,并且进行校验、位填充,执行USB所需要的其他信号。这样采用硬件完成USB协议,简化了固件代码的编制。 TUSB3210采用基于内部RAM的解决方案,允许通过I2C总线从串行EEPROM中读入固件或从主机中下载固件程序。这项功能便于设备的开发与在线升级。 2.2 A/D芯片MAX1449 MAX1449是MAXIM公司生产的10位、105MSPS、单3.3V电源、低功耗的高速A/D芯片。它采用差分输入,带有高宽带采样/保持(T/H)的10阶段流水线(pipeline)型结构的ADC,如图2。采样信号每半个时钟周期通过一个流水线段,完成连续转换到数据输出共需5.5个时钟周期。每个流水线首先通过一个1.5位的闪速ADC对输入电压量化,由DAC产生一个对应于量化结果的电压并与输入电压作差,输出电压放大2倍后送到下一级流水线处理。每级流水线提供1位的分辨率,并进行差错校正,得到良好的线性和低失调。 MAX1449提供一个2.048V的精确带隙基准源,用来设定ADC满量程范围,也可以用外部基准源改变量程范围。MAX1449的最大差分输入电压范围为2V。 2.3 输入信号处理电路 MAX1449芯片的输入信号为差分输入时有最佳的采样效果。在本系统中用TI的HTS4503作为单端输入到差分输出的转换电路。THS4503高性能的全差分运放,带宽可达270MHz,具有非常好的线性,在100MHz下可支持11位的A/D转换要求,适合作为A/D变换的前端接口电路。具体电路见图3所示。 2.4 FIFO和时钟发生电路 高速A/D变换的数据不能直接通过USB送入主机,系统中通过FIFO来缓冲数据。本系统采用TI公司SN74V293芯片。它的容量为65536%26;#215;18或131072%26;#215;9,最快读写周期为6ns,可以满足100MHz采样数据的存储。用户可以选择输入、输出宽度,当选择输入、输出宽度为18时,可存储64K%26;#215;10位的数据。如果选择输入、输出为9位,则可使存储容量扩大到128%26;#215;9位,这样对精度要求不高的用户可以获得更多数据。 SN74V293有独立的读写时钟控制电路,允许读写操作同时进行。SN74V293内部有满、空、半满输出信号以及可编程设定的几乎满和几乎空输出信号,通过这些信号控制器可以灵活控制FIFO的读写操作。 对于高速数据采集系统,时钟信号很重要。在本系统中选用DALLAS公司的DS1073时钟芯片。DS1073是无需外部元件的频率振荡器。通过DALLAS独有的1-wire技术,可以设定内部的分频器数值,实现输出频率从27.3kHz~100MHz可调,从而方便地改变采样时钟,简化电路设计。MAX1449数据输出时下降沿有效,而FIFO写入时上升沿锁存数据。系统中采用DS90LC028A实现对时钟信号的取反。 2.5 PCB板制作 由于是高速A/D采集,在制作PCB板时有一些需要注意的地方。电路板最好使用多层板,元件尽量选用表面封装器件。这样可以减小元器件之间的距离,减小寄生电感、寄生电容,同时减小电路板的尺寸。所有的旁路电容都要尽量靠近芯片的电源管脚。模拟公共地和数字公共地要分开,选一点通过低值表贴电阻(1~5Ω)、磁珠或直接连接,以免数字地电流干扰模拟地。电源最好用线性稳压电源,A/D和前端处理电路要用同一电源地输出,减小电源波动对采集的影响。 3 USB高速数据采集卡的软件 开发一个USB设备,软件设计是必不可少的。USB应用系统软件设计分为三部分:USB外设端的固件(Firmware)、主机操作系统上的客户驱动程序以及主机应用软件。主机应用软件通过客户驱动程序与系统USBI(USB Device Interface)进行通信,由系统产生USB数据的传送动作;固件则响应各种来自系统的USB标准请求,完成各种数据的交换工作和事件处理。 3.1 USB接口编程 固件程序主要是实现USB通信。TUSB3210采用SIE来管理USB通信。当主机与芯片进行USB通信时,会产生外部中断0,通过中断矢量寄存器判断。Setup_packed_Int、Input_endpoint0_Int、Output_endpoint0_Int这三个中断主要用于与主机建立连接、进行控制传输或中断传输;Input_endpoint1_Int、Output_endpoint1_Int这两个中断主要在批量传输时使用。在固件中分别执行不同的中断程序来实现USB的数据传输。 Void EX0_int(void) interrupt 0 //外部中断0 { EA=DISABLE; //关中断 switch (bBECINT)(//确定中断ID case VECINT_OUTPUT_ENDPOINT0: bVECFINT=0x00; Ep0QutputInterruptHandler(); break; case VECINT_INPUT_ENDPOINT0: bBECINT=0x00; Ep0InputInterruptHandler(); break; case VECINT_OUTPUT_ENDPOINT1: bVECINT=0x00; Ep 1 OutputInterruptHandler(); Break; case VECINT_INPUT_ENDPOINT1: bVECINT=0x00; Ep1InputInterruptHandler(); break; case VECINT_SETUP_PACKET_RECEIVED: SetupPacketInterruptHandler(); bUSBSTA=USBSTA_SETUP; bVECINT=0x00; break; default:break; //不知道中断ID EA=ENABLE; //开中断 } 3.2 主机软件设计 笔者首先开发TUSB3210在主机中的驱动程序。用WinDK3.0开发了Win2000下的驱动程序,实现了控制传输、中断传输和批传输的标准接口函数。 在应用程序开发中,可用VC++编制应用程序。可以把USB设备当成文件来操作,利用CreateFile得到USB句柄,用DeviceIoControl来进行控制传输,用ReadFile、WriteFile进行批量传输。程序实例如下: HANDLE m_hUsbSample; //USB句柄 m_hUsbSample=CreateFile(\.USBSampl0,GENERIC_READ| GENERIC_WRITE,FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE,NULI,OPEN_EXISTING,0,NULL); //打开USB句柄 DeviceIoControl(m_hUsbSample,IOCTL_USBSAMPL_REBOOT, NULL,0,NULL,0,%26;amp;length,NULL); //控制传输 WriteFile(m_hUsbSample,pBuffer,writelength,%26;amp;writelength,NULL); //批量输出传输 ReadFile(m_hUsbSample,pBuffer,64,%26;amp;lgngth,NULL); //批量输入传输 CloseHandle(m_hUsbSample); //关闭USB句柄 使用上述函数编制USB高速数据采集卡的主机软件。 通过以上设计实现了基于USB数据采集卡的基本功能。但还有一些如信号的触发、事件的捕获功能还需完善;需开发基于USB2.0的系统,进一步提高数据传输的速率。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/others/200703/11002.html
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