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基于USB总线的高速数据采集系统
摘要：介绍了一种基于ＵＳＢ总线的高速数据采集系统，讨论了ＵＳＢ控制器ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２?ＣＹ７Ｃ６８０１３?的性能及传输方式?给出了该系统的硬件和基于ＧＰＩＦ主控方式实现数据传输的软件设计方法。１ 引言
现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。目前比较通用的是在ＰＣ或工控机内安装数据采集卡（如Ａ／Ｄ卡及４２２、４８５卡）。但这些数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦、价格昂贵、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差，同时在一些电磁干扰性强的测试现场，可能无法专门对其作电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真。
传统的外设与主机的通讯接口一般是基于ＰＣＩ总线、ＩＳＡ总线或者是ＲＳ－２３２Ｃ串行总线。ＰＣＩ总线虽然具有较高的传输速度（１３２Ｍｂｐｓ），并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限（一般为５～６个），ＩＳＡ总线显然存在同样的问题。ＲＳ－２３２Ｃ串行总线虽然连结简单，但其传输速度慢（５６ｋｂｐｓ），且主机的串口数目也有限。
通用串行总线（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ，简称ＵＳＢ）是１９９５年康柏、微软、ＩＢＭ、ＤＥＣ等公司为了解决传统总线的不足，而推出的一种新型串行通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于ＵＳＢ的数据采集系统充分利用ＵＳＢ总线的上述优点，有效地解决了传统数据采集系统的缺陷。ＵＳＢ的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择，以满足不同的系统和部件及相应不同的功能，从而给使用带来极大方便。
２ 系统介绍
２．１ 数据采集系统的结构与功能
常见的数据采集系统的硬件总体结构如图１所示。其中数据采集接口卡是硬件部分的核心，它包括Ａ／Ｄ转换器、微控制器、ＵＳＢ通信接口等。
在高速数据采集系统中?由于现场输入信号是高频模拟信号，因而信号的变化范围都比较大?如果采用单一的增益放大?那么放大以后的信号幅值有可能超过Ａ／Ｄ转换的量程?所以必须根据信号的变化相应地调整放大器的增益。在自动化程度较高的系统中?希望能够在程序中用软件控制放大器的增益?ＡＤ８３２１正是这样一种具有增益可编程功能的芯片。ＡＤ８３２１是美国ＡＤ公司生产的一种增益可编程线性驱动器。它具有频带宽、噪声低、增益可编程且易于与单片机进行串行通信等优点，十分适合在数据采集系统中做前置放大。
经过调理后的信号可送入模／数变换器（ＡＤＣ）进行Ａ／Ｄ变换。笔者选用的ＡＤＣ是ＴＬＣ５５４０，它是一种高速８位模拟数字转换器，能以高达每秒４０Ｍ的采样速率进行转换，由于采用半闪速结构和ＣＭＯＳ工艺制造，因此功耗和成本很低。其７５ＭＨｚ（典型值）的模拟输入带宽使该器件成为欠采样应用的良好选择。该器件带有内部电阻，可用于从５Ｖ电源产生２Ｖ满度的基准电压，以减少外部元件数。数字输出置于高阻方式。它仅需要５Ｖ电源工作，可由ＵＳＢ总线供电。
由于数据采集接口卡是硬件部分的核心，因此应选择能适用ＵＳＢ协议的合适芯片。ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２是一种ＵＳＢ２．０集成微控制器。它的内部集成了ＵＳＢ２．０收发器、串行接口引擎（ＳＩＥ）、增强的８０５１微控制器和一个可编程的串行接口。其主要特性如下：
●带有加强的８０５１内核性能，可达到标准８０５１的５～１０倍，且与标准８０５１的指令完全兼容；
●集成度高，芯片内部集成有微处理器、ＲＡＭ、ＳＩＥ（串行接口引擎）等多个功能模块，从而减少了多个芯片接口部分需要时序配合的麻烦；
●采用软配置，在外设未通过ＵＳＢ接口接到ＰＣ机之前，外设上的固件存储在ＰＣ上；而一旦外设连接到ＰＣ机上，ＰＣ则先询问外设是“谁”（即读设备描述符），然后将该外设的固件下载到芯片的ＲＡＭ中，这个过程叫做再枚举。这样，在开发过程中，当固件需要修改时，可以先在ＰＣ机上修改好，然后再下载到芯片中；
●具有易用的软件开发工具，该芯片开发系统的驱动程序和固件的开发和调试相互独立，可加快开发的速度。
图2 USB接口示意图
２．２ 方案选择
ＦＸ２有三种可用的接口模式：端口、ＧＰＩＦ主控和从ＦＩＦＯ。
在“端口”模式下，所有Ｉ／Ｏ引脚都可作为８０５１的通用Ｉ／Ｏ口。
在“从ＦＩＦＯ”模式下，外部逻辑或外部处理器直接与ＦＸ２端点ＦＩＦＯ相连。在这种模式下，ＧＰＩＦ不被激活，因为外部逻辑可直接控制ＦＩＦＯ。这种模式下，外部主控端既可以是异步方式，也可以是同步方式，并可以为ＦＸ２接口提供自己的独立时钟。
“ＧＰＩＦ主控”接口模式使用ＰＯＲＴＢ和ＰＯＲＴＤ构成通向四个ＦＸ２端点ＦＩＦＯ（ ＥＰ２? ＥＰ４? ＥＰ６和ＥＰ８）的１６位数据接口。ＧＰＩＦ作为内部的主控制器与ＦＩＦＯ直接相连，并产生用户可编程的控制信号与外部接口进行通信。同时，ＧＰＩＦ还可以通过ＲＤＹ引脚采样外部信号并等待外部事件。由于ＧＰＩＦ的运行速度比ＦＩＦＯ快得多，因此其时序信号具有很好的编程分辨率。另外，ＧＰＩＦ既可以使用内部时钟，也可以使用外部时钟。故此，笔者选择了ＧＰＩＦ模式。
高速数据采集卡的设计存在两大难点：一是模拟信号的Ａ／Ｄ高速转换；二是变换后数据的高速存储及提取。对于第一个问题，由于制造ＡＤＣ的技术不断进步，这个问题已经得到解决。而对于第二个问题，一般的数据采集系统是将Ａ／Ｄ转换后的数据先存储在外部数据存储器中，然后再对其进行处理。对于高速数据采集而言，这种方式将严重影响采集速度，且存储值也会受到很大限制。而改进方案是将Ａ／Ｄ转换后的数据直接送至计算机内存，这样，采集速度将大大提高，而且可存储大量数据，以便于下一步的处理。
为了解决同步问题，可以由ＣＰＬＤ产生同步时钟信号提供给ＡＤＣ和ＦＸ２。在本数据采集系统的设计中，ＣＰＬＤ同时还可用于产生不同的控制信号，以便对采样进行实时控制。ＣＰＬＤ是复杂可编程逻辑器件，它包括可编程逻辑宏单元、可编程Ｉ／Ｏ单元和可编程内部连线。由于ＣＰＬＤ的内部资源丰富，因而可广泛应用在数据采集、自动控制、通讯等各个领域。在本系统的设计中，笔者选用的
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