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基于USB接口的便携式数据采集系统的设计_图文

测试测量技术

基于USB接口的便携式数据采集系统的设计
Design of Convenient Instrument of Data Acquisition System Based On USB Inter[ace
王萌。陈云海。周萍(西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安710071) WangMeng.ChenYun-hai,ZhouPing(NationallabdRadar si卵_alprocessingofXidianUniversity,ShamiXi’an 710071)

摘要:为了设计一种便于野外使用的数据采集器,文中研究基于USB接口的便携式数据采集器的系统组成, 并进行T程实现。该数据采集系统采用两路14位40MHz的A/D变换器.利用VHD[。语言完成T FPGA的逻辑 设计与综合,从而实现对FIFO的读写时序控制与USB控制器之间的数据传输,并给A/D提供要求的时钟。利 用VC++应用程序设计数据采集系统的控制界面,对采集的数据进行存储,用动态波形显示进行四放等,并有 良好的人机界面。 关键词:USB;数据采集;GPIF;A/D变换器

中圈分类号:TP274

文献标识码:B

文章编号:1003--0107(2008)10-4)009-05

^b●口珊:In the ord钎to design a system which could be LIjERgd in the open field.the research focuses oR

structure of a portable data

acquisition system based on USB and the implementation work The system use two channel A/D converters AD9244 whose sampling

which fmqua-ny are 40MHz All the logical functions of FPGA ere realized by programming VHDL codes

realizes the control of reading

and

writing FIF0

and date transferring

between FPGA and USB

owes芦∞converter controller and

clock signal as well.Then the

plat—

system.save form wjth the feature of easy-going is designed by using VC++language to control the

the recewed data and displays

dvnarnic wave chart of the data.

Key Words:USB;data acquisition;GPIF;A/D CORVeffor

‘;‘C nurnt’·r:"1P274

o咖m·f畦∞d·:B^—}ck IO:1003—0107(2008)10-0009-06

1研究背景与系统总要求 1.1数据采集设备的设计要求
一方面,要求接口简单灵活并且有较高的数据传输速 率;另一方面,要求主机对较大量数据能够做出立刻响应, 并及时进行分析和处理。
1.2数据采集系统的发展趋势 是向大容量、超高速方向发展,并采用磁盘阵列,但其
价格相当昂贵。但是实际中有时并不需要这种高性能的数据 采集系统。这里采用USB接口与笔记本电脑相连。对采集到 的数据实时处理,进行分析,便于野外作业。
2工程实现方案设计
本文简要介绍了USB通信协议及其USB控制器的使用;

根据数据采集器的要求,对基于USB的数据采集系统进行方 案设计。该数据采集系统采用两路14位40MHz的A/D变换 器AD9244、8K'32位的FIFO、FPGA芯片EP!C6、USB控 制器CY7C68013等,完成了电路原理图和PCB图设计与装 调。利用VHDL语言完成了FPGA的逻辑设计与综合,从而 实现对FIFO的读写时序控制与USB控制器之间的数据传 输,并给A/D提供要求的时钟。设计USB控制器的固化程 序,在固件设计中包括对控制信号的定义和响应界面控制命 令的执行代码等;利用vC++应用程序设计数据采集系统的 控制界面,对采集的数据进行存储,用动态波形显示进行回 放等,并有良好的人机界面。
该便携式数据采集系统体积小,可以与笔记本电脑相 连,便于在野外作业,具有较高的实用价值。其工程实现的 框图如图l。


I前A端D8电13路8 l vV。IN一+:l数A据D9采24集4

前端电路 AD8138

VIN+一

VIN一一

AD9244 数据采集


CI 』KADa


14一bit

FIFO

卜、
14一hit CLKADb

》 FPGA

卜\

控制时序l一/

没置信号

控制

USB 控制器

卜\ 主机 l一 ∥ 界面
控制

图1系统总体设计框图

 万方数据

2008第10W]日

1P理论与研究 j【 b璺Q【Y量D鱼旦曼璺旦垦[坌b

3 USB2.0接口及其协议简介
USB技术是设计基于USB数据采集系统的基础,因此, 了解USB技术对于把握数据采集过程中,数据的传输和器件 之间的通信有着至关重要的作用。
3.1 USB通信模型 在终端用户看来,USB系统就是USB设备到主机的简单
连接,但对开发人员来说,这种连接可以分为三个逻辑层 次:功能层、USB设备层和USB总线接口层,且每一层都由 主机和USB设备的不同功能模块组成,如图2所示。这种分 层关系简化了USB通信机制,有利于读者理解主机和USB 设备之间的通信关系。161

主机

互联单元

USB设备

1. 客户软件

} .usB系统软件

.usB主机控制器l一
实际通信流

一l 功能单元

.1 usB逻辑设备
-l usB总线接口 . 逻辑通信流

4部分电路设计 4.1 AD8138信号调理电路
AD8138是A/D转换器前端的调理电路,单端输入双端 输出的运算放大器。由于AD9244要求双差分输入,并且系 统采集每路信号只有一个输入,因此选择AD8138型号器 件。因为AD8138满足单端输入,差分输出的要求。AD8138 的外部电路连接如图4所示。
AD8138是单端输入的运算放大器,所以在8脚+IN上
接人被采集信号,信号由SMA接头接入,两个输入端分别 接入闭环网络,信号的闭环增益可以由闭环参数计算出,计
算公式为l专:}1-怒=丽R7a丽了。噪声增益为c庐
I{尹皿f+1。其中在差分电压参考时吒,拥=“。一n。,在 r/n.art
共模电压参考时%.撕=(n。+y.。№,这里电路采用差分
模式。

图2 USB系统分层

3.2 USB设备的传输协议 在USB的通信中,事务处理是USB通信和数据传输的
过程中信息交互的基本单位,事务处理是由一系列具有特定 格式的信息包组成,如SETUP包、ACK包等。根据信息包 的内容事务处理可以分为3个阶段:令牌阶段、数据阶段和
医工五 握手阶段。图3给出了一个典型的事务处理。 主机
令牌阶段 主机/USB设备
数据阶段 USB设备,主机
握手阶段 图3典型的事务处理

图4 AD8138的电路连接图
另外,在高频回路中应该应用0.1uF和0.01uF的瓷片电 容,在低频回路中应用10uF的电容。因此,在连接滤波电 容的时候可以采用0.1uF和lOuF的组合。设计模拟电路和 电源部分的印制板电路的时候要主要以下事项:电源线和模 拟地的线宽要尽量的宽,一般要大于40rail。芯片的供电电 源的连接要尽量接近电源,运放的两边的电路连接要尽可能 的对称,并且在模拟和电源部分尽量要求敷铜,用以减少对 信号的干扰。
4.2 AD9244的外部电路 AD9244是14位A/D转换器,采用5V供电,速度达
40,65MsPs,采用40MSPS工作时,功耗为300roW,65MSPS 工作时,功耗为550mW。AD9244是一种带输出误差修正电 路,采用多级差分流水线结构的ADC,它在65MSPS转换速率 下能提供75dB信噪比(SNR),90dB无杂散信号动态范围 (SFDR)和14位精度。它在全部规定温度范围内保证不丢码。
本系统采用40MSPS的两路AD9244。采用双端差分出 入方式,以尽量减少噪声和信号干扰。

囤鼋·矗童 万方数据

4.3 FIFO(First In First Out) FIFO:ID'112V3670是由美国IDT公司生产的高速大容
量先进先出存储器件(FIFO)。其最高工作频率为133MHz; 容量为8KB,可以通过引脚方便地将容量设置成8K X 36bit 或者16K X 18bit等多种方式;IDT72V3670可以设置标准 1DT工作模式或者Fw订(First Word Fall Through)工作模 式,并提供全满、半满、全空、将满以及将空等五种标志信 号;非常方便进行容量扩展。

Q.aaus II 5.0生成的模块图形如图7所示。

4.4 USB控制器 USB控制器采用Cypress公司的CY7C68013A芯片。
CY7C68013A芯片集成了USB2.0收发器、SEI(智能串行接 口引擎)、增强型8051处理器、8.5K RAM以及通用可编程 接口(GPIF)。CY7C68013的硬件连接如图5所示。

测试测量技术

图6 FPGA的时序控制主要作用和系统工作流程

图5 CY7C68013电路连接图

EZ—USB FX2的12C接口信号线SCL和SDA都是漏极开 路输出和迟滞输出的。在使用时,不论是否外接FC设备, 这两个管脚都应该连接2.2七n的上拉电阻,以使 CY7C68013能正确的完成列举和重列举。当FX2上电后,其 内部的锁相环电路大约需要200斗s时间才能稳定,因此需 要在芯片的复位管脚RESET上连接一个RC电路。
5 FPGA的功能模块的程序设计
在系统设计中,FPGA的功能可以描述为以下几个模块: 产生分频时钟模块;设置FIFO配置信号模块;FIFO的读写 模块;在FPGA中完成的工作的工作流程如图6所示。利用

图7 FPGA模块图
6软件系统设计
软件的设计包括USB控制器接口编程的设计和主机应用 界面的设计两部分。接口编程主要实现USB设备和主机的通 信,主机应用界面的作用主要实现对USB同件中相应控制程 序的调用,实现控制传输,并且实现对数据的转化和波形的 回放。

 万方数据

猢第10期田

固件程序和Vc++应用程序以及FPGA的程序i者结合 起来才使得系统正常的运行。三者之间的配合以及协议如图 8所示。

VC++应用界面层

固件程序层

FPGA协议层

利用CyPress公司的CyAPI 库函数发出命令代码

检测到对应的命令代码,控制 FX2 I/O,发出高低电平

与FX2的I/0进行逻辑组合, 产生出可以控制硬件的信号

图8软件之间的协议
1同件程序是指运行在设备CPU中的固化的程序,本 系统中的同件程序实现的功能是使用FX2的GPIF模式。同 件程序采用Keil uVision2软件进行编写,同件程序的流程如 图9所示。
2设备驱动程序直接调用Cypress公司编写好的驱动
CyUSB.sys。

变量定义和连接、 宏、函数定义
岳訇

1.REVCrLUSB 版本;
2.端点配置; 3.nFO RESET; 4.端点NFO的数据
位敷设置; 5.设置每个缓冲的
计数 6.输入端点的数据
包的大小 7.GPIF中断初始化 8.应用到的接口的
初始化


、\+ 里墼_室壅墨/7
彳]j
l进入。ai。函数主体1
定义局部变量 初始化
■初始化函数TD_Init()f
l在文件印mon咖一中I
雯燮 脚}断栅速度燃模式.艏指定硎针雯高I.i’=::瞄:竺?裂!=二:黼::=J】 ’t
的地址指针
!!竺竺塞pi!!墅!到

TD_Poll甬数 在文件gpiflongxfer.c中

圈9固件程序的流程图
3本系统的应用程序采用VC++6.0进行编写,其流程如 图lO所示,程序主要的功能有:
1)控制硬件电路AD时钟的产生和中断以及硬件电路 FIFO的复位;

2)查找输入输出端点的 配置:
3)设置传输参数进行传 输,包括:最大字节数、封包 个数、队列长度;
4)可以根据设置,存储 定量容量的数据,数据存储完 毕后提示存储完毕;
5)控制接收和停止接收 数据;
6)性能分析:显示传输 成功和失败的次数以及接收的 总字节数,由此可以计算传输 的速度;
7)图形动态显示采集数 据文件的波形,可以控制暂停 显示和停止显示:
4下面对于应用界面的功 能进行演示:
首先,检测设备,打开端 口,并且设置传输参数和需要 保存数据量的大小,点击应用 配置按钮。点击复位和开始采 集按钮,界面如图11。


际蔚i商藕酥习
霉L<多 扩—=:蔓\
图10VC++应用程序界面 的流程图

图11复位、启动AD、存数数据
复位和启动AD命令发送的状态出现在状态显示编辑框 中,并且电击保存数据之后,数据存储到指定的容量会弹出 存储完毕对话框。
实现复位和肩动AD信号是USB控制器典型的应用,过 程是主机界面通过控制端点发送控制指令地址,在固件中对 应相应的地址,执行相应的固件程序,然后FPGA执行检 测,并传回相应握手信号。执行状态在编辑框中显示。保存 数据成功后有以上提示,此时显示数据文件如下图12。 (见 下页)

咽鼋辛质 万簟方数据

测试澜量技术

1r∞ ooOOOOoo—r^02 r4 02 1嘎OS 1吨05一De 06 D8 06 1F Oe

00000010一C5 08 C5 08 00000020—35 OS 3S 0S 00000030—D8 FB D8 rB

CB 08 C8 00-36 08 36 08 E9 06 E9 06 lD 03 lD 03-B3 00 B3 00 3C rE 3C rE B7 r9 B'r9一E上r7 E^r7▲,r6.^r r6

00000040—OC,6 OC r6 rD r5 rD r5-9A r6 9^r6 D^r7 D▲r7

00000050—95 r9 95 r9 B3 rB B3 FB-lD rE lD rE 8D OO 8D 00

00000060一E9 02 E9 02 1£05 1E 05-El 06 E1 06 18 08 18 08

00000070一C7 08 C7 08 CC 08 CC 08-25 08 2S 08,0 06 rO 06
00000080—36 05 36 0S 16 03 16 03—8▲00 B^00 3D rE 3D rE
r7”r6艏F6 00000090一D8 rB D8 rB▲C F9▲C r9-F?r7 r7

000000^O—rC r5 rC r5 05 r6 OS r6-9D r6 9D r6 DO r7 D0 r7

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000000C0一D8 02 D8 02 21 05 21 0S-DO 06 D0 06 21 08 2l 08

000000DO一丑B 08 000000EO一32 05 000000F0一DE rB

BB 08 32 0S

CC 08 CC 08-3哇08 3哇08 r1 06 Fl 06 17 03 17 03一B哇00 B噜00 3r r£3F rE

DE rB B3 r9 B3 r9一EC r7 EC r7 B9 r6 89 r6

00000100—09 F6 09 r6 r5 r5 FS r¥-9^F6 9^r6 E2 r7 E2 r7

00000110一8▲F9 8^r9^7 r8^'FB-19 FE 19 rE 8D 00 8D 00

00000120一EC 02 EC 02 18 05 i8 05-Dq 06 D粤06 1▲08 i^08

00000130一Cr 0B Cr 08 C9 08 C9 08-2l 08 21 00 r7 06 r7 06

00000lqO一40 05 40 05 FB 02 rB 02-R4 00 B4 OO{2 rE哇2 FE

000001SO—CC rB CC rB B4 r9毒曩Fg-r乓r7 r乓r7^9 r6▲9 r6

00000160一Oi F6 0l r6 OO F6 00 r6-9S F6 95 r6 CE F7 C£r’

00000170—96 r9 96 r9 B2 rB BZ FB-04 r£0哇r£90 OO 90 00

00000100一r3 02 F3 02 OE 05 0E 05-DS 06 D5 06 lB 08 lB 0e

00000190—CS 08 C5 08 C8 08 C8 08-2E 08 2E 08 E^06 E▲06

00000l▲0—38 05 38 05 lD 03 1D 03-BO 00 B0 00 3C r£3C FE

图12数据文件

分析数据可以看出,数据每16位蕈复一次,这是由于 Fx内部读时钟和采集数据进入的写频率是2倍的关系。同 时,由于数据进入主机是每8位进入主机,先进低8位,所 以以0xlFFF为例的话,lF为高位,FF为低位。同时,由于 数据是14位补码,高位扩展成16位的数据格式,因此易 知,高位数据的高4位只可能为E,F,或者1。对照数据表, 高位数据满足这样的要求。用波形显示数据的波形如图13。

图13波形显示

7性能分析



至此,完成了对于USB数据采集系统的设计和调试,下

面对于本系统的性能进行测试和分析,并且给出测试结果。

输入不接信号采集数据,经过分析。信号的噪声位数为3

位;由于AD9244芯片的特性,可以采集的信号峰峰值在lV

以内。因此,本数据采集系统适用于信号频率不高,幅度较

小的信号的采集。如图14所示,对比了信号幅度为800mV 和lV的同频信号的采集到的波形图。可以看出,在信号的 峰峰值到达lV的时候,已经在波形显示介面中I叶j现了限幅。
圈14限幅对比图
8结束语
基于USB的数据采集系统还有很多方案可以实现,而本设 计从USB的传输速率的极限考虑,编写FPGA程序实现数据传 输的协议。本设计实现了控制传输和块传输,实现了数据采集 和数据的回放。该系统携带方便,精度较高,良好的人机交互 界面易于操作,具有较大的实用价值。而且USB控制器和FPGA 的资源还没有用完,还有扩展的空间和开发的余地。◆
参考文献: 【l】杨波,刘延波.具有USB2.0接口的高速数据采集卡设计
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空航天大学自动化学测控技术研究所. 【6】闫长青,吴石增编.现代微型计算机总线技术的发展【c】.
中国科学院电丁研究所. 【7】王成儒,李英伟编.UBS2.0原理与工程开发【M】.北京:国
防T.业出版社,2004,1. 【8】曹利钢.USB总线数据采集控制系统的开发与应用【J】.中国
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计与实现【J】.中国期刊网,2005,5.

 万方数据

舢第10期困

基于USB接口的便携式数据采集系统的设计

作者: 作者单位: 刊名:
英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

王萌, 陈云海, 周萍, Wang Meng, Chen Yun-hai, Zhou Ping 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西,西安,710071
电子质量 ELECTRONICS QUALITY 2008(10) 2次

参考文献(9条) 1.梁颖 基于USB和FPGA技术的高性能数据采集模块的设计与实现 2005 2.曹利钢 USB总线数据采集控制系统的开发与应用 2004 3.王成儒;李英伟 UBS2.0原理与工程开发 2004 4.闫长青;吴石增 现代微型计算机总线技术的发展 5.徐德炳;徐兴 数据采集与总线系统的发展 6.张劲松;张涛 计算机工业控制 2003 7.吴锡琪;何镇湖 多极分布式及集散系统 1995 8.于海生 微型计算机控制技术 1999 9.杨波;刘延波 具有USB2.0接口的高速数据采集卡设计

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1.贺从林.张彦斌.梁光健.董志鹏 RBH8223h在随动系统故障检测中的应用[期刊论文]-新技术新工艺 2010(1) 2.郑翔.殷瑞祥 基于SL811HST和PIC18F452的USB主机系统的设计[期刊论文]-现代电子技术 2010(6)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzzl200810004.aspx


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