USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-圖文_第1頁(yè)
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一計(jì)算機(jī)應(yīng)用摘現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求日益提高,在瞬態(tài)信呼測(cè)量、圖像處理等一些高速、高精度的測(cè)量中,需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集?,F(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PcI卡或ISA卡.存在以下缺點(diǎn):安裝麻煩;價(jià)格昂貴;受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制,可擴(kuò)展性差;在一些電磁干擾性強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng),無(wú)法專門對(duì)其做電磁屏蔽,導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。通用串行總線usB是1995年康柏、微軟、IBM、DEc等公司為解決傳統(tǒng)總線不足而推廣的一種新型的通信標(biāo)準(zhǔn)。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴(kuò)展等優(yōu)USB接口的高蓬數(shù)據(jù)呆集卡的設(shè)計(jì)與賓現(xiàn)北京郵電大學(xué)191信箱‘1刪6’崔巖松丌∞6要:討論了基于uSB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用TI公司的TUSB3210芯片作為uSB通信及主控芯片,完全符合USBl.1協(xié)議,是一種新型的數(shù)據(jù)采集卡。傳送。同時(shí)usB又是一種通信協(xié)議,支持主系統(tǒng)與其外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。uSB器件支持熱插拔,可以即插即用。usBl.1支持兩種傳輸速度,既低速15Mbps和高速12Mbp8,在uSB2.0中其速度提高到480Mbps。usB具有四種傳輸方式,既控制方式(contmlmode)、中斷傳輸方式(Intemlptmode)、批量傳輸方式(Blllkmode)和等時(shí)傳輸方式(Iochronousmode)??紤]到usB傳輸速度較高,如果用只實(shí)現(xiàn)usB接口的芯片外加普通微控制器(如8051).其處理速度就會(huì)很慢而達(dá)不到usB傳輸?shù)囊?;如果采用高速微處理器(如DsP),雖然滿足了usB傳輸速率,但成本較高。所以選擇了11公司內(nèi)置usB接口的微控制器芯片TuSB3210,開發(fā)了具有usB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡。1.2系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)以TusB3210為核心,負(fù)責(zé)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,控制FIF0的讀寫及采樣頻率的設(shè)定.與主機(jī)之間的點(diǎn),已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)?;冢酰螅碌母咚贁?shù)據(jù)采集卡充分利用uSB總線的上述優(yōu)點(diǎn),有效解決了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。11.1USB數(shù)據(jù)采集卡原理USB簡(jiǎn)介通用串行總線適用于將usB外圍設(shè)備連接到主機(jī)上,通過(guò)PcI總線與Pc內(nèi)部的系統(tǒng)總線連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)(接上頁(yè))取時(shí)間片數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算第2個(gè)DTMF值,并修改任務(wù)記錄表中該用戶的調(diào)度數(shù)據(jù),指向它的下一個(gè)子任務(wù)。其它子任務(wù)的設(shè)計(jì)思想與此子任務(wù)類似。本文在單片機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中引入了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的多任務(wù)思想,采用時(shí)問(wèn)片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)編程思想進(jìn)行了改進(jìn),并應(yīng)用在基于Mcs一51的分級(jí)分布式系統(tǒng)中,有效地完成了對(duì)32個(gè)獨(dú)立用戶的控制。實(shí)踐證明這種結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)度靈活,適用于定時(shí)要求復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)l湯子瀛.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng).西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999《令莖<趔蘭?。?!哆多。一I“IN二干.《≤≥.,..........Jl』?。海赶蛳乱粋€(gè)子任務(wù)11ll2張友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn).上海:復(fù)旦大學(xué)出版社.1998(收稿日期:2002—09—29)(.望苧)圈3發(fā)送第2位D1MF編碼數(shù)據(jù)漉程歡迎郵購(gòu)本刊1995—1999年光盤版,每套100元《電子技術(shù)應(yīng)用》2003年第3期萬(wàn)方數(shù)據(jù)計(jì)算{的ADC,如圖2。采樣信號(hào)每半個(gè)時(shí)鐘周期通過(guò)一個(gè)流水線階段,完成連續(xù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)輸出共需5.5個(gè)時(shí)鐘周期。每個(gè)流水線首先通過(guò)一個(gè)1.5位的閃逮ADc對(duì)輸人電壓量化,由DAc產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于景化結(jié)果的電壓并與輸入電壓作差,輸出電壓放大2倍后送到下一級(jí)流水線處理。每級(jí)流水線提供l位的分辨率,并進(jìn)行差錯(cuò)校正,得到良好的線性和低失調(diào)。MAxl449提供一個(gè)2.048v的精確帶隙基準(zhǔn)源,用來(lái)設(shè)定ADc滿量程范圍,也可以用外部基準(zhǔn)源改變量程范}Iz應(yīng)用一圖1系統(tǒng)原理圖圍。MAxl449的最大差分輸入電壓范圍為2V。通信及數(shù)據(jù)傳輸。2.3輸入信號(hào)處理電路2USB數(shù)據(jù)采集卡硬件MAxl449芯片的輸入信號(hào)為差分輸入時(shí)有最佳的采樣效果。在本系統(tǒng)中用TI的THs4503作為單端輸入2.1TUSB3210芯片TusB3210是TI公司推出的內(nèi)嵌8052內(nèi)核并帶有到差分輸出的轉(zhuǎn)換電路。THs4503高性能的全差分運(yùn)usB接[I的微控制器芯片。TusB32lO有256字節(jié)的內(nèi)部放,帶寬可達(dá)”OMHz,具有非常好的線性,在100MHzRAM,8K字節(jié)的程序RAM,512字節(jié)的usB數(shù)據(jù)緩沖和端下可支持ll位的A/D轉(zhuǎn)換要求,適合作為A/D變換的點(diǎn)描述塊EDB(Endpdnt前端接口電路。具體電路見圖3所示。De們riptorBloch),4個(gè)通用的GPIO端口Po、P1、P2、P3,12c接口電路,看門狗電路等。TusB3210的USB接口符合UsBl.1協(xié)議,有4個(gè)輸入端點(diǎn)(InputEndpoint)和4個(gè)輸出端點(diǎn)(0utputEnd—poinI),支持全速和低速傳輸速率,并具有usB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸方式。TUSB3210的usB接口采用串行接口引擎(sIE)編碼和解碼串行數(shù)據(jù),并且進(jìn)行校驗(yàn)、位填充,執(zhí)行usB所需要的其他信號(hào)。這樣采用硬件完成usB協(xié)議,簡(jiǎn)化了固件代碼的編制。TUSB3210采用基于內(nèi)部RAM的解決方案,允許通過(guò)I2c總線從串行EEPROM中讀人固件或從主機(jī)中下載固件程序。這項(xiàng)功能便于設(shè)備的開發(fā)與在線升級(jí)。2.2A/D芯片MAXl449圖3輸人信號(hào)處理電路MAxl449是MAxIM公司生產(chǎn)的10位、105MsPS、單2.4FIFO和時(shí)鐘發(fā)生電路3.3V電源、低功耗的高速A/D芯片。它采用差分輸入.帶有高速A/D變換的數(shù)據(jù)不能直接通過(guò)usB送入主高寬帶采樣/保持(T/H)的lO階段流水線(pipeline)型結(jié)構(gòu)機(jī),系統(tǒng)中通過(guò)兀FO來(lái)緩沖數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用11公司MDAC的sN74V293芯片。它的容量為65536x18或131072×9,最快讀寫周期為6ns,可以滿足】00MHz采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。用戶可以選擇輸入、輸出寬度,當(dāng)選擇輸入、輸出寬度為18時(shí),口丁存儲(chǔ)“K×lO位的數(shù)據(jù)。如果選擇輸入、輸出為9位,則可使存儲(chǔ)容量擴(kuò)大到128Kx9位,這樣對(duì)精度要求不高的用戶可以獲得更多數(shù)據(jù)。sN74V293有獨(dú)立的讀寫時(shí)鐘控制電路,允許讀寫操作同時(shí)進(jìn)行。sN74V293內(nèi)部有滿、空、半滿輸出信號(hào)以及可編程設(shè)定的幾乎滿和幾乎空輸出信號(hào),通過(guò)這些信號(hào)控制器可以靈活控制nFO的讀寫操作。對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),時(shí)鐘信號(hào)很重要。在本系統(tǒng)中選用DALLAS公司的Dsl073時(shí)鐘芯片。Dsl073是戈需外部元件的頻率振蕩器。通過(guò)DALLAs獨(dú)有的l—wi”技術(shù),可以設(shè)定內(nèi)部的分頻器數(shù)值,實(shí)現(xiàn)輸出頻率囝2流水線型結(jié)構(gòu)的ADc從27.3kHz一100MHz可調(diào),從而方便地改變采樣時(shí)鐘,《電子技術(shù)應(yīng)用》2003年第3期奉刪掇藕,郵描:№@nc∞.com.cn21萬(wàn)方數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。MAxl“9數(shù)據(jù)輸出時(shí)下降沿有效,而nFO寫入時(shí)上升沿鎖存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中采用Ds90Lc028A實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘信呼的取反。25EplI叩u帆ernlpIH∞dler();hreak:c耶evECINloETUP-PACKELRECEIVED:PCB板制作出于是高速A/D采集,在制作PCB板時(shí)有一些需setupPacketIntemlplHandler();bUSBSTA=USBSrA—SETUP;bVECINT;0xoo:要注意的地方。電路板最好使用多層板,元件盡量選用表面封裝器件。這樣可以減小元器件之間的距離,減小寄生電感、寄生電容,同時(shí)減小電路板的尺寸。所有的旁路電容都要盡每靠近芯片的電源管腳。模擬公共地和數(shù)字公』}地要分開,選一點(diǎn)通過(guò)低值表貼電阻(1~5n)、磁珠或直接連接,眥免數(shù)字地電流干擾模擬地。電源最好用線性穩(wěn)壓電源,A/D和前端處理電路要用同一電源地輸出,減小電源波動(dòng)對(duì)采集的影響。3}}bI糟k:defHuh:bmⅡl‘;//不知道中斷IDEA=ENABLE;//開中斷3.2主機(jī)軟件設(shè)計(jì)筆者首先開發(fā)TusB32lO在主機(jī)中的驅(qū)動(dòng)程序。用winDK3.0開發(fā)了Win2000下的驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)了控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)。在應(yīng)用程序開發(fā)中,町用Vc++編制應(yīng)用程序??梢园眩酰螅略O(shè)備當(dāng)成文件來(lái)操作.利用createFile得到UsB句柄,用DeviceIocontml來(lái)進(jìn)行控制傳輸,用Re日dFile、writeFiIe進(jìn)行批量傳輸。程序?qū)嵗缦拢海龋粒危模蹋牛眨樱赂咚俪〒?jù)采集卡的軟件開發(fā)一個(gè)USB設(shè)備,軟件沒(méi)計(jì)是必不可少的。USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件{殳計(jì)分為三部分:usB外設(shè)端的固件(Firmw∽)、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用軟件。主機(jī)應(yīng)用軟件通過(guò)客戶驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)usBl(usBDeviceInte南ce)進(jìn)行通信,由系統(tǒng)產(chǎn)生usB數(shù)據(jù)的傳送動(dòng)作;圊件則響應(yīng)各種來(lái)自系統(tǒng)的usB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求,完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。3.1USB接口編程固件程序主要是實(shí)現(xiàn)usB通信。TusB3210采用sIEm』us‰ple=CreateFile(”、、、、.UUSBS帥P10”,GENERIc—READIGENERIC—WRITE.FlLE—SHARE—READlFILE—SHARE—WRITE.NULL,0PEN—ExISTINC,0.NUI。L);//打開UsB句柄DeviceIoControl(m—huBbSample.IOCTL—UsBSAMPL—REBOoT.NuLL,0,NuLL,O,&leng【h,NuI.L);Tn_hUsbSample;//uSB句柄來(lái)管理uSB通信。當(dāng)主機(jī)與芯片進(jìn)行uSB通信時(shí),會(huì)產(chǎn)生外部中斷o,通過(guò)中斷矢量寄存器判斷。setup—packeⅡjnt、Inpu【一endpoinlu_Int、Outp叭一endpoinlu_Int這三個(gè)中斷主要用于與主機(jī)建立連接、進(jìn)行控制傳輸或中斷傳輸;l“put-endpoin“-Int、OutpuL_endpoinILInt這兩個(gè)中斷主要在批量傳輸時(shí)使用。在固件中分別執(zhí)行不同的中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)usB的數(shù)據(jù)傳輸。vo】d//控制傳輸//批量輸出傳輸w五teFile(m—huBbSBmpIe,pBufrer,w五telenglh,&w—telength.NUU.);Re8dFile(m_husbsample,pBu膿,64,&length,NULL);//批量輸入傳輸Fx0_lnl(void)jnte刪plO//外部中斷0{EA=DISABLE;//關(guān)中斷swltch(bVECINT){//確定中斷lDc雌eclos—I蚰me(HL_hUsbs呻ple);//關(guān)閉usB句柄使用上述函數(shù)編制usB高速數(shù)據(jù)采集卡的主機(jī)軟件。通過(guò)以上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于usB數(shù)據(jù)采集卡的基本功能。但還有一些如信號(hào)的觸發(fā)、事件的捕獲功能還需完VEcINT-_oUTPUT—ENDPOINT0:bVECINT=0x00:善;需開發(fā)基于usB2.0的系統(tǒng),進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。參考文獻(xiàn)12TUSB3210MAXl449Dat舶heetSLLS466.ht岫://www.ti.com.200lEpOOu巾utIntemlptHandler{);brfmk:caseVECINLINPUT.ENDPOlNT0:bVECINT=Ox00:Dat鵲hee【.http://www.m4xim—kcomcn.2000Dat聃heet.SCAS669C.http://www.ticom.2002EpOInpudnte“PtHandler();b陀ak:case3SN74V2934JanAxelson.uSB大全【M】.北京:中國(guó)電力出版社,1999VECINT_0uTPuT_ENDPOINT1:bVECINT=Ox00:5chi琚,c朋t,windowsWDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)指南【M】北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20∞(收稿日期;2002—10一15)Ep1Ou‘putIntcmlplH8rIdler();1)reak:c幽eVECINT_INPUT_ENDPolNTl:hVEClNT=Ox00:22歡迎郵購(gòu)本刊1995—1999年光土版,每套lOO無(wú)《電子技術(shù)應(yīng)用》2003年第3期萬(wàn)方數(shù)據(jù)USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作者:作者單位:刊名:英文刊名:年,卷(期:引用次數(shù):崔巖松北京郵電大學(xué)191信箱,100876電子技術(shù)應(yīng)用APPLICATIONOFELECTRONICTECHNIQUE2003,29(312次參考文獻(xiàn)(5條1.TUSB3210Datasheet.SLLS4662.MAX1449Datasheet20003.SN74V293Datasheet.SCAS669C20024.JanAxelsonUSB大全19995.ChirsCantWindowsWDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)指南2000相似文獻(xiàn)(0條引證文獻(xiàn)(12條1.宮鑫.徐遐齡基于MAX3420的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[期刊論文]-國(guó)外電子元器件2008(082.張靜.閻學(xué)文基于USB的智能數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[期刊論文]-電子科技2007(113.洪家平基于USB接口器件MAX3420E的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[期刊論文]-國(guó)外電子元器件2007(024.周建國(guó).王明渝USB在交流變頻電力測(cè)功機(jī)中的應(yīng)用[期刊論文]-計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)2006(055.周樹槐.韋克平數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)小型化和模塊化設(shè)計(jì)[期刊論文]-電子測(cè)量技術(shù)2006(046.王偉基于雙核處理器的ADCP系統(tǒng)研制與開發(fā)[學(xué)位論文]碩士20067.彭其圣.陳軍波.彭建盛基于nRF24E1

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