基于USB接口的高速信号采集系统设计

2019-12-02丁传勇刘婧翁铁张燕天津博远华信科技有限公司

数码世界 2019年3期

丁传勇刘婧翁铁张燕天津博远华信科技有限公司

USB3.0采用了双总线拓扑结构，可以实现数据的串行通信，无须等待应答包则可以同时同方向输出多个数据包，还可以实现对其它版本USB的兼容，可以有效对数据传送过程中的干扰进行处理。该串行通信系统中的两条总线采有通信电缆和连接器实现并连，采用星型的拓扑结构，超速总线利用分层的数据信息通信架构，利用了8b/10b编码和解码方式，可以实现编码过程中的DC平衡，数据信息传送过程中的0、1数量基本一致，持续的0、1数量不会超过5个。编码的原理是把持续的8位数据划分成低5位数据、高3位数据，两组数据之间填加1个数据控制位，成为10位的数据组。在进行解码时，把这10位数据转变成contrl+8bi的数据信息，两个控制位可以使USB3.0可以对以下版本进行兼容。可以实现同步的数据传输、中断传输、控制传输以及块传输，而块传输方式具有超高速数据通信的功能。

1 系统硬件设计

高速数据采集系统需要等待开关控制信号接通，之后把信号接入到调理电路中滤波、去噪。再通过模数转换之后传输到USB3.0端口，从而实现数据采集的全过程。在具体应用过程中，需要利用USB端口把数据采集系统与PC机进行数据连接，通过系统初始化之后，再经过I2C电路和FX3控制芯片来接收到USB端口传送过来的固件程序，对寄存器进行初始化操作之后，再设置好外围电路运行状态，数据采集系统的上位机便可以数据接收。

高速数据采集系统是由软、硬件两部分构成，硬件主要有电源模块、信号调理模块，数据采集处理模块、高速数据传输模块和其它的辅助模块构成。控制模块的核心主要为FPGA，而数据采集的实现主要依据A/D转换，高速数据传输的技术核心在于USB。

为了有效的完成A/D转换，采用3组16路模拟开关，出于系统成本方面的考虑，由于PCB板所占的体积并不大，所以需要采用多路复用开关，利用分时复用的方式来实现A/D芯片功能的共享。该采集电路可以实现48路频率量数据输入，需要采用多路开关来实现。ADG706芯片具备较有较低的功耗和较高的精度，具有16选1的多路选择功能，每路开关切换时间最多只需50纳秒。该数据采集系统共有48个通道，总需要三片ADG706芯片。

高速数据采集系统中前端电路，把A0-A3状态信息输送到地址总线当中，使模块开关使能端处理高电位，模拟信号通路打开之后，对该通路中的信号实现滤波、降噪、分压和跟随以后，输送到模数转换芯片进行离散化处理。数据采集卡会对产生较小改变电平量、非电平量等进行采集，如果前端电路没有对其进行很好的处理，就会直接影响到数据采集的准确度。所以，数据采集模块加入了信号调理功能，实现对48路信号的放大处理，并进行滤波操作。通过处理操作之后，整个数据采集完成，可以在电脑上把数据通过工程量转换为实际值，用户则可以对数据进行分析和判断。采集之后的信号通过信号调理、稳压、滤波和降噪处理等多个环节之后，数据的精准度得到了有效的提升。

高速数据采集系统设计的核心在于模数转换器的选用，需要重点考虑通道数、转换精度、接口、采样速度和电压等性能，转换精度与信号采集区间、采集系统总精度有着直接的关系，由于采集系统精度达到了16位，所以，模数转换器应用16位的控制芯片就可以满足要求。采样速度可以根据采样定理和最高采样速度来确定，本采集系统最高采样频率达到120kHz。除此之外，为了实现对数据高速采集，应该采用可以实现并行通信的模数接口芯片。为了满足使用的要求和技术指标，采集系统中的核心元件为高速逼近型模数转换器，可以实现多种的数据同步采集和输入，在应用时需要通过5路电源进行供电，可支持双极性输入电压，所用通道可以实现较高的速率传输。芯片内部具有高输入、低噪声的信号调理功能。输入端口集成滤波器，可以实现40dB抗混叠抑制作用，采集系统的输入部分只需要采用低通滤波器，再设计出电压跟随电路可以实现对高频干扰信号的滤除。

USB3.0数据接口具备电源功能，所以，数据采集系统硬件可通过UBS接口实现供电，可以提供5V的标准电压，但无法满足系统内的所有模块对电压的需求，所以，在进行供电电源选用时，应该全面分析内部功能模块电压的要求，还需要关注芯片过压保护和干扰等方面的问题。系统中的数据采集电路硬件接入了15V供电电源，可以满足信号调理电路对电压的需求，芯片供电也得到了解决，高速数据采集系统设计时，采用了电源管理芯片，可以对系统电源进行高效的管理。

2 系统软件设计

高速信号采集系统的软件主要有模块控制、FPGA驱动、FX3固件程序三个子程。FPGA内部结构的逻辑设计时，应该把其分成多个控制模块，采用erilog HDL进行程序的编写，每个部分的功能调试完成之后，需要把他们连接起来。与软件相关的硬件为USB接口控制器、模数转换控制模块、数据控制和PLL。模数控制采用模块转换芯片的功能引脚来进行时钟控制，时钟频率设置为50MHz。进行模数采集过程中，需要先对模数芯片进行初始化操作，启用片选信号CS、控制信号CVB/CVA，之后把其都设定为高电平，再把控制信号CVA/ CVB在一段时间内设置为低电平后转变为高电平，经过转换操作之后，芯片会把忙信号设置为高电平，大约需要3微秒时间，如果忙信号还保持低电平状态，表明已经完成模拟信号的转变，还处于高电平状态则需要再等待。当信号转换之后，把读信号、片选信号设置为低电平，经过一段时间以后，把读信号转变为高电平。这时，数据信号线上的0-15就是第一通道的数据，之后把16个引脚中的数据信息读入到FPGA当中，完成了首个通道数据的采集。当进行第二通道信数据信号采集过程中，需要把读信号设置成低电平状态，当第二个通道中的数字量输入到模数信号线路中的0-15位上之后，把读信号设置为高电平状态，之后把芯片的16个功能脚中的数据读入到FPGA当中，这就实现了第二个数据通道的数据采集，之后的6个通道根据上述采集顺序来实现。

在进行USB接口控制程序开发过程中，USB设备的数据枚举和重枚举、上电初始化、供电电源管理、USB通信协议等功能需要通过固化程序来实现。普遍来讲，固化程序可保存在扩展的ROM当中，或者存在于芯片内，高速数据采集系统把固化程序存储于EEPROM当中。当完成对EZ-USB FX配置以后，当芯片上电会接收上位机发出指令，来对数据信息实现高速的采集和传输。FX3固化程序可实现对所有应用程序的初始化检测和配置，应用线程的建立和应用、内部错误的处理、数据流方式的设置、外设接口的参数配置和DMA引擎参数配置。