基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

工程師在設(shè)計基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時都認(rèn)為，要想獲得比較好的性能，都需要使用PCI總線。其實并不是這樣，隨著USB通信技術(shù)的不斷發(fā)展，USB總線的傳輸速度和可靠性都在逐步提升。對于廣范應(yīng)用的USB2.0，其最快速度能夠達(dá)到480 Mb/s。就算其中一些中斷或者協(xié)議占用一部分帶寬，高于80 Mb/s的速度也是很容易實現(xiàn)的。而USB3.0協(xié)議下的理論速度可以達(dá)到USB2.0的10倍左右。另外，相比于PCI卡，USB接口對系統(tǒng)的開發(fā)與升級更加方便。

QuickUSB[1]是基于CY7C68013A[2]開發(fā)的一款針對USB2.0的高速USB模塊。Bitwise公司為這款模塊提供嵌入EEPROM的底層程序，同時還在PC端提供了相應(yīng)的LabVIEW和C語言的API底層程序，這為系統(tǒng)的開發(fā)提供了很大的便利。本文設(shè)計的系統(tǒng)[3]就是基于這個原理。

1 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的核心硬件是FPGA、ADS803E、CY7C68013A以及Bitwise公司的內(nèi)嵌底層程序的EEPROM。

圖1是FPGA的配置電路。CY7C68013A可以通過PS模式來配置FPGA，而不需要其他的下載器。系統(tǒng)選擇的FPGA型號是EP2C50F484，為了使用PS模式下載，需要分別設(shè)置MSEL0=1，MSEL1=0，MSEL2=0。注意配置端口需要增加上拉電阻來保證其正常工作。

圖1 FPGA的配置電路

系統(tǒng)選擇ADS803E作為ADC轉(zhuǎn)換電路，ADS803E的轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到5 MHz，而且其引腳與同類型的10 MHz的ADS804以及20 MHz的ADS805兼容。圖2是系統(tǒng)ADC轉(zhuǎn)換電路。

對于ADS803E的輸入信號首先要經(jīng)過一級運放跟隨，目的是為了將輸入信號控制在其測量范圍之內(nèi)。ADS803E的測量范圍可以通過改變圖中電阻R1與R2的值來實現(xiàn)，其量程范圍為0~2×R1+R2R1。ADS803E的輸出要在6個時鐘之后才會有效，也就是說其數(shù)字輸出對于模擬輸入存在6個時鐘的延時。同時，為了減小系統(tǒng)的功耗，在不需要進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換的時候，可以通過FPGA將ADS803E的時鐘停止。

圖2 ADC轉(zhuǎn)換電路

圖3 CY7C68013A原理圖

CY7C68013A原理圖設(shè)計如圖3所示。其中包括9根地址線（GPIF_ADR0~8），16根數(shù)據(jù)線（PPB0~7、PPD0~7），以及相應(yīng)的控制線。

FPGA與CY7C68013A連接軟件界面如圖4所示。配合CY7C68013A設(shè)計編寫的相應(yīng)讀寫控制時序，能夠與PC端進(jìn)行通信，同時根據(jù)獲得的控制命令來對ADC進(jìn)行操作，并將獲得的數(shù)據(jù)從FIFO中讀取出來，傳遞到PC端。

圖4 FPGA與CY7C68013A連接軟件界面

2 控制軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的流程略--編者注。系統(tǒng)所有的初始化配置都是寫在一個TXT文件中，程序開始運行時會根據(jù)設(shè)置好的路徑讀取該文件，并初始化所有配置信息。該軟件采用了讀取PC環(huán)境變量的方法來增強軟件系統(tǒng)的可移植性。需要將該軟件系統(tǒng)從一臺PC轉(zhuǎn)移到另外一臺PC時，只需更改一下環(huán)境變量的定義。FPGA通過CY7C68013A從PC端接收數(shù)據(jù)和控制命令，將其轉(zhuǎn)化為存儲器讀寫、A/D轉(zhuǎn)換、前端電子學(xué)控制等命令，并最終將測量數(shù)據(jù)傳遞給PC。

3 測試結(jié)果

測試結(jié)果如圖5所示，利用直流電源作為測試源對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。分別測試OUT+和OUT-為0~1.2 V和-1.2~0 V的變化，然后從PC端得到ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)是|OUT+|與|OUT-|的和，縱坐標(biāo)是與模擬電壓相對應(yīng)的ADC數(shù)值。通過對圖中數(shù)據(jù)的擬合，得到模擬信號和數(shù)字信號的線性關(guān)系y=357.144+2.223x。這就意味著每m V電壓對應(yīng)2.2的數(shù)字輸出，也可以表示為每1個數(shù)字值對應(yīng)0.45 mV的模擬電壓。直線在Y軸上的截距被稱為基值，一般為300~400個ADC計數(shù)。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的線性測試

4 結(jié)語

基于QuickUSB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集與存儲，并且在體積、功耗方面都有明顯的優(yōu)勢。系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用到很多實驗當(dāng)中[6]（如PEBS實驗），都取得了很好的測試效果。