USB接口的高速數据采集卡的设计与实现.doc

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65536×1