USB接口数据采集计算机软件的设计.docVIP

位置：首页 - 模拟设计 - 数据转换 - 正文 窗体顶端 基于USB接口的数据采集系统设计 王宝珠， 杨 永， 林永峰， 常秀颖 时间:2010年04月14日 字 体: 大 中 小 关键词:数据采集USB接口USB2.0A/D转换器CY7C68013MAX125 摘 要： 设计了基于USB2.0接口的数据采集系统。系统硬件主要由信号调理电路、USB2.0芯片CY7C68013及A/D转换器MAX125组成。软件部分主要包括固件设计、驱动程序设计和应用程序设计三部分。关键词： 通用串行总线； 数据采集； 通用可编程接口 随着大规模集成电路与计算机技术的飞速发展，数据采集在语音处理、智能仪器、工业自动化及生物医学工程等众多领域中的地位日益突出，并且对数据采集的各项技术指标要求越来越高。传统的数据采集卡主要有PCI卡或者ISA卡，这些采集卡都存在着各种各样的缺陷，比如传输速度慢、不支持热插拔、安装不方便、受计算机地址、中断和插槽的限制，可扩展性差等[1]。 近年来，USB接口以其传输速度快、成本低、可靠性高、支持即插即用和热插拔等优点[2]，迅速成为数据传输的主流。因此，开发这种基于USB2.0的高速数据采集系统，代表了现代数据采集和传输的发展趋势，必将被越来越多的用户所接受。1 系统工作原理与硬件结构 基于USB接口的数据采集系统的硬件部分主要包括信号调理电路、A/D转换电路、USB控制电路三部分。PC机端的应用程序通过USB主机发送控制信号，通知CY7C68013开始数据采集。当CY7C68013接收到控制信号以后，通过GPIF模式发送控制波形到MAX125，控制其开始的数据转换。当MAX125接收到控制信号以后，开始进行数据采集。采集完成后，在USB主机控制器的控制下，MAX125把转换后的数字信号发送到CY7C68013，最后通过USB总线把采集到的数据发送到PC机，并进行相应的处理。 系统硬件框图如图1所示。 1.1 信号调理电路和电源电路 拟电压范围为-5 V~+5 V，所以在输入信号进入之前必须进行相应的处理。本设计所采集的语音信号的电压范围是0~30 mV，初步调理之后的电压范围为0~2 V，为了得到所需的增益，采用同相输入放大电路对初步调理后的电压放大。完成电压转换后，还必须由低通滤波器滤除高频信号，在本设计中，采用4阶巴特沃斯滤波器。滤波电路和放大电路所采用的放大器为OP07，其输入电压范围为±3 V～±22 V。本设计采用开关电源供电，提供的输出电压为±5 V、12 V，其中，MAX125需要5 V的数字电源和±5 V的模拟电源工作，运算放大器的供电电压为5 V和－5 V，而系统中USB2.0芯片采用3.3 V供电，为此，需要电源转换模块以获得系统所需要的电源电压值,其中5 V转3.3 V电压用到AS1117-3.3系列芯片。1.2 USB控制电路 USB2.0传输芯片采用CYPRESS公司的CY7C68013A-56PIN，芯片的商标号是FX2。EZ-USB FX2微处理器是世界上第一款集成USB2.0的微处理器,具有增强型的8051内核性能、集成度高、方便灵活的软配置和快捷的软件开发工具等主要特性[3]。该芯片的内部结构如图2所示，其中主要包括USB2.0收发器、串行引擎(SIE)、增强型的8051内核、16 KB的RAM、4 KB的FIFO存储器、I/O接口、8位数据总线、16位地址总线和通用可编程接口(GPIF)。  EZ-USB FX2是整个系统的控制核心，除了完成与上位机的USB总线通信，还要实现对A/D采样电路的控制。CY7C68013本身有一个4 KB的内部FIFO存储器，可以满足常规的数据采集的需求，更重要的是其内部还提供了一个用于控制FIFO存储器的通用可编程接口(GPIF)，大大方便了用户的需求[4]，而且在GPIF的控制下，内部的FIFO利用其高速缓冲区可以在不需要固件的参与下与USB之间进行自动高速通信。GPIF是一个内置接口控制器，用来取代外接的控制逻辑，可以工作在内部时钟(30 MHz或48 MHz)，也可以由外部时钟驱动(5 MHz~48 MHz)。GPIF的核心实际上是一个可编程状态机，最多可产生6个控制信号和9位地址总线。4个用户定义的波形描述符控制这个状态机，一般来讲，有单次读取、单次写入、连续读取、连续写入4个波形[5]。在GPIF模式下，读和写的操作都是从EZ-USB的角度来说的。即一个读波形数据传输表示数据从外部逻辑传输到EX-USB的内部FIFO，而一个写波形数据传输表示数据传输从EZ-USB内部的FIFO发送到外部逻辑。FX2用4个波形描述符来控制各个状态，这些波形描述符可动态地配置给任何一个