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。
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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
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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
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