USB接口的高速数据采集卡的设计与实现

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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。
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    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。
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    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。
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