USB接口的高速数据采集卡的设计与实现

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。

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。

  4 通道12位.USB2.0高速数据采集卡                  2 通道12位.USB2.0高速数据采集卡 

  2 通道8位.USB2.0高速数据采集卡                   4  通道8位.USB2.0高速数据采集卡

    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 Desc-riptor 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65536×18或131072×9，最快读写周期为6ns，可以满足100MHz采样数据的存储。用户可以选择输入、输出宽度，当选择输入、输出宽度为18时，可存储64K×10位的数据。如果选择输入、输出为9位，则可使存储容量扩大到128×9位，这样对精度要求不高的用户可以获得更多数据。
SN74V293有独立的读写时钟控制电路，允许读写操作同时进行。SN74V293内部有满、空、半满输出信号以及可编程设定的几乎满和几乎空输出信号，通过这些信号控制器可以灵活控制FIFO的读写操作。
对于高速数据采集系统，时钟信号很重要。在本系统中选用DALLAS公司的DS1073时钟芯片。DS1073是无需外部元件的频率振荡器。通过DALLAS独有的1-wire技术，可以设定内部的分频器数值，实现输出频率从27.3kHz～100MHz可调，从而方便地改变采样时钟，简化电路设计。MAX1449数据输出时下降沿有效，而FIFO写入时上升沿锁存数据。系统中采用DS90LC028A实现对时钟信号的取反。
   
    2.5 PCB板制作
       由于是高速A/D采集，在制作PCB板时有一些需要注意的地方。电路板最好使用多层板，元件尽量选用表面封装器件。这样可以减小元器件之间的距离，减小寄生电感、寄生电容，同时减小电路板的尺寸。所有的旁路电容都要尽量靠近芯片的电源管脚。模拟公共地和数字公共地要分开，选一点通过低值表贴电阻（1～5Ω）、磁珠或直接连接，以免数字地电流干扰模拟地。电源最好用线性稳压电源，A/D和前端处理电路要用同一电源地输出，减小电源波动对采集的影响。

3 USB高速数据采集卡的软件
       开发一个USB设备，软件设计是必不可少的。USB应用系统软件设计分为三部分：USB外设端的固件（Firmware）、主机操作系统上的客户驱动程序以及主机应用软件。主机应用软件通过客户驱动程序与系统USBI（USB Device Interface）进行通信，由系统产生USB数据的传送动作；固件则响应各种来自系统的USB标准请求，完成各种数据的交换工作和事件处理。

3.1 USB接口编程
      固件程序主要是实现USB通信。TUSB3210采用SIE来管理USB通信。当主机与芯片进行USB通信时，会产生外部中断0，通过中断矢量寄存器判断。Setup_packed_Int、Input_endpoint0_Int、Output_endpoint0_Int这三个中断主要用于与主机建立连接、进行控制传输或中断传输；Input_endpoint1_Int、Output_endpoint1_Int这两个中断主要在批量传输时使用。在固件中分别执行不同的中断程序来实现USB的数据传输。
Void EX0_int(void) interrupt 0 //外部中断0
{
EA=DISABLE; //关中断
switch (bBECINT)(//确定中断ID
case VECINT_OUTPUT_ENDPOINT0:
bVECFINT=0x00;
Ep0QutputInterruptHandler()；
break;
case VECINT_INPUT_ENDPOINT0:
bBECINT=0x00;
Ep0InputInterruptHandler()；
break；
case VECINT_OUTPUT_ENDPOINT1:
bVECINT=0x00;
Ep 1 OutputInterruptHandler();
Break;
case VECINT_INPUT_ENDPOINT1:
bVECINT=0x00;
Ep1InputInterruptHandler();
break;
case VECINT_SETUP_PACKET_RECEIVED:
SetupPacketInterruptHandler();
bUSBSTA=USBSTA_SETUP;
bVECINT=0x00;
break;
default:break; //不知道中断ID
EA=ENABLE; //开中断
}
3.2 主机软件设计
      笔者首先开发TUSB3210在主机中的驱动程序。用WinDK3.0开发了Win2000下的驱动程序，实现了控制传输、中断传输和批传输的标准接口函数。
      在应用程序开发中，可用VC++编制应用程序。可以把USB设备当成文件来操作，利用CreateFile得到USB句柄，用DeviceIoControl来进行控制传输，用ReadFile、WriteFile进行批量传输。程序实例如下：
HANDLE m_hUsbSample； //USB句柄
m_hUsbSample=CreateFile(\\.\USBSampl0，GENERIC_READ|
GENERIC_WRITE，FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE，NULI，OPEN_EXISTING，0，NULL）； //打开USB句柄
DeviceIoControl(m_hUsbSample,IOCTL_USBSAMPL_REBOOT, NULL,0,NULL,0,&length,NULL); //控制传输
WriteFile(m_hUsbSample,pBuffer,writelength,&writelength,NULL); //批量输出传输
ReadFile(m_hUsbSample,pBuffer,64,&lgngth,NULL); //批量输入传输
CloseHandle(m_hUsbSample); //关闭USB句柄
使用上述函数编制USB高速数据采集卡的主机软件。
通过以上设计实现了基于USB数据采集卡的基本功能。但还有一些如信号的触发、事件的捕获功能还需完善；需开发基于USB2.0的系统，进一步提高数据传输的速率。