基于高速USB接口模块的数据采集系统

工程师在设计基于PC的数据采集系统时都认为，要想获得比较好的性能，都需要使用PCI总线。其实并不是这样，随着USB通信技术的不断发展，USB总线的传输速度和可靠性都在逐步提升。对于广范应用的USB2.0，其最快速度能够达到480 Mb/s。就算其中一些中断或者协议占用一部分带宽，高于80 Mb/s的速度也是很容易实现的。而USB3.0协议下的理论速度可以达到USB2.0的10倍左右。另外，相比于PCI卡，USB接口对系统的开发与升级更加方便。

QuickUSB[1]是基于CY7C68013A[2]开发的一款针对USB2.0的高速USB模块。Bitwise公司为这款模块提供嵌入EEPROM的底层程序，同时还在PC端提供了相应的LabVIEW和C语言的API底层程序，这为系统的开发提供了很大的便利。本文设计的系统[3]就是基于这个原理。

1  硬件电路设计

系统的核心硬件是FPGA、ADS803E、CY7C68013A以及Bitwise公司的内嵌底层程序的EEPROM。

图1是FPGA的配置电路。CY7C68013A可以通过PS模式来配置FPGA，而不需要其他的下载器。系统选择的FPGA型号是EP2C50F484，为了使用PS模式下载，需要分别设置MSEL0=1，MSEL1=0，MSEL2=0。注意配置端口需要增加上拉电阻来保证其正常工作。

图1  FPGA的配置电路

系统选择ADS803E作为ADC转换电路，ADS803E的转换速度可以达到5 MHz，而且其引脚与同类型的10 MHz的ADS804以及20 MHz的ADS805兼容。图2是系统ADC转换电路。

对于ADS803E的输入信号首先要经过一级运放跟随，目的是为了将输入信号控制在其测量范围之内。ADS803E的测量范围可以通过改变图中电阻R1与R2的值来实现，其量程范围为0~2×R1+R2R1。ADS803E的输出要在6个时钟之后才会有效，也就是说其数字输出对于模拟输入存在6个时钟的延时。同时，为了减小系统的功耗，在不需要进行ADC转换的时候，可以通过FPGA将ADS803E的时钟停止。

图2  ADC转换电路

图3  CY7C68013A原理图

CY7C68013A原理图设计如图3所示。其中包括9根地址线（GPIF_ADR0~8），16根数据线（PPB0~7、PPD0~7），以及相应的控制线。

FPGA与CY7C68013A连接软件界面如图4所示。配合CY7C68013A设计编写的相应读写控制时序，能够与PC端进行通信，同时根据获得的控制命令来对ADC进行操作，并将获得的数据从FIFO中读取出来，传递到PC端。

图4  FPGA与CY7C68013A连接软件界面

2  控制软件设计

数据采集系统的流程略--编者注。系统所有的初始化配置都是写在一个TXT文件中，程序开始运行时会根据设置好的路径读取该文件，并初始化所有配置信息。该软件采用了读取PC环境变量的方法来增强软件系统的可移植性。需要将该软件系统从一台PC转移到另外一台PC时，只需更改一下环境变量的定义。FPGA通过CY7C68013A从PC端接收数据和控制命令，将其转化为存储器读写、A/D转换、前端电子学控制等命令，并最终将测量数据传递给PC。

3  测试结果

测试结果如图5所示，利用直流电源作为测试源对数据采集系统进行性能测试。分别测试OUT+和OUT-为0~1.2 V和-1.2~0 V的变化，然后从PC端得到ADC的转换结果。图中横坐标是|OUT+|与|OUT-|的和，纵坐标是与模拟电压相对应的ADC数值。通过对图中数据的拟合，得到模拟信号和数字信号的线性关系y=357.144+2.223x。这就意味着每m V电压对应2.2的数字输出，也可以表示为每1个数字值对应0.45 mV的模拟电压。直线在Y轴上的截距被称为基值，一般为300~400个ADC计数。

图5  数据采集系统的线性测试

4  结语

基于QuickUSB的数据采集系统可以实现数据的快速采集与存储，并且在体积、功耗方面都有明显的优势。系统目前已经应用到很多实验当中[6]（如PEBS实验），都取得了很好的测试效果。