基于USB接口的实用型数据采集卡设计

摘要: 本文采用一种新型的通信标准USB，研制出一种基于USB接口的实用型数据采集卡。硬件是一外置式的密封设备，软件具有很好的用户图形界面。整个系统功能齐全、操作简单，采样速度24MB/s达到国内先进水平。详细论述了高速数据采集系统的硬件设计，并且对系统所使用的主要芯片和相关技术做了说明；本文还对USB驱动程序、固件程序和应用层程序进行了开发。
关键字: 数据采集；USB；数模转换；CPLD

1 引言

随着低成本高性能的计算机资源普及运用、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，数字化测量平台逐渐成为测量仪器的基础。所有测量测试仪器的主要功能由数据采集采集与控制、数据分析与处理、结果的表达与输出三大部分组成。高质量的A/D采集卡及调理放大器是影响其发展的一个重要因素。本文实现了基于USB接口的实用型数据采集卡的设计。

2数据采集卡的结构设计

本文采用集散型的系统结构，定位为高速、双通道的数据采集系统。整个系统采用模块化技术，各个模块通过总线连接。设计时将整个系统划分为四个相互关联的有机部分，即信号调理模块、数据采集模块、CPLD控制模块和软件操作平台。模块间连接关系如图1所示。

图1 模块间的连接

高速数据采集卡的设计的关键是高速ADC的选择和经采样得到的高速数据如何被送到计算机里进行处理，在本章中将详细介绍关于高速数据采集卡的各模块的设计。高速数据采集卡硬件部分的设计从功能上主要包括信号调理模块、高速模数转换模块、CPLD控制模块以及与计算机接口部分电路组成。

2.1 信号调理模块的设计

在高速数据采集系统中，现场输入信号是高频的模拟信号，信号变化的范围都比较大，如果采用单一的增益放大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应地调整放大器的增益。在自动化程度较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，AD8321正是这样一种具有增益可编程功能的芯片。AD8321是美国AD工公司生产的一种增益可编程线驱动器，可广泛应用于多种领域。它具有频带宽、噪声低、增益可编程且易于与单片机进行串行通信等优点，十分适合在数据采集系统做前置放大。本文的高速数据采集系统原理图如图2。

图2 高速数据采集系统原理图

在此系统中，高频模拟信号线输入到AD8321，经程控放大后再输送到具有采样保持功能的模数转换器中，因为采样频率为高频，所以在A/D后接在EZ-USB FX2芯片，然后再连到计算机上。