usb接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計和實現(xiàn)

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1、USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計和實現(xiàn).freelode）、中斷傳輸方式（Interruptmode）、批量傳輸方式（Bulkmode）和等時傳輸方式（Iochronousmode）?？紤]到USB傳輸速度較高，如果用只實現(xiàn)USB接口的芯片外加普通控制器（如8051），其處理速度就會很慢而達(dá)不到USB傳輸?shù)囊?；如果采用高速微處理器（如DSP），雖然滿足了USB傳輸速率，但成本較高。所以選擇了TI公司內(nèi)置USB接口的微控制器芯片TUSB3210，開發(fā)了具有USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡。1.2系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖如圖1所示。整個系統(tǒng)以TUSB3210為核心，負(fù)責(zé)啟動A/D轉(zhuǎn)換，控制FIFO的

2、讀寫及采樣頻率的設(shè)定，與主機(jī)之間的通信及數(shù)據(jù)傳輸。2USB數(shù)據(jù)采集卡硬件2.1TUSB3210芯片TUSB3210是TI公司推出的內(nèi)嵌8052內(nèi)核并帶有USB接口的微控制器芯片。TUSB3210有256字節(jié)的內(nèi)部RAM，8K字節(jié)的程序RAM，512字節(jié)的USB數(shù)據(jù)緩沖和端點描述塊EDB（EndpointDescriptorBlocks），4個通用的GPIO端口P0、P1、P2、P3，I2C接口電路，看門狗電路等。TUSB3210的USB接口符合USB1.1協(xié)議，有4個輸入端點（InputEndpoint）和4個輸出端點（OutputEnd-Point），支持全速和低速傳輸速率，并具有U

3、SB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸方式。TUSB3210的USB接口采用串行接口引擎（SIE）編碼和解碼串行數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行校驗、位填充，執(zhí)行USB所需要的其他信號。這樣采用硬件完成USB協(xié)議，簡化了固件代碼的編制。TUSB3210采用基于內(nèi)部RAM的解決方案，允許通過I2C總線從串行EEPROM中讀入固件或從主機(jī)中固件程序。這項功能便于設(shè)備的開發(fā)與在線升級。2.2A/D芯片MAX1449MAX1449是MAXIM公司生產(chǎn)的10位、105MSPS、單3.3V電源、低功耗的高速A/D芯片。它采用差分輸入，帶有高寬帶采樣/保持（T/H）的10階段流水線（pipeline）型結(jié)構(gòu)的ADC，如圖2。采樣信

4、號每半個時鐘周期通過一個流水線段，完成連續(xù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)輸出共需5.5個時鐘周期。每個流水線首先通過一個1.5位的閃速ADC對輸入電壓量化，由DAC產(chǎn)生一個對應(yīng)于量化結(jié)果的電壓并與輸入電壓作差，輸出電壓放大2倍后送到下一級流水線處理。每級流水線提供1位的分辨率，并進(jìn)行差錯校正，得到良好的線性和低失調(diào)。MAX1449提供一個2.048V的精確帶隙基準(zhǔn)源，用來設(shè)定ADC滿量程范圍，也可以用外部基準(zhǔn)源改變量程范圍。MAX1449的最大差分輸入電壓范圍為2V。2.3輸入信號處理電路MAX1449芯片的輸入信號為差分輸入時有最佳的采樣效果。在本系統(tǒng)中用TI的HTS4503作為單端輸入到差分輸出的轉(zhuǎn)換

5、電路。THS4503高性能的全差分運(yùn)放，帶寬可達(dá)270MHz，具有非常好的線性，在100MHz下可支持11位的A/D轉(zhuǎn)換要求，適合作為A/D變換的前端接口電路。具體電路見圖3所示。2.4FIFO和時鐘發(fā)生電路高速A/D變換的數(shù)據(jù)不能直接通過USB送入主機(jī)，系統(tǒng)中通過FIFO來緩沖數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用TI公司SN74V293芯片。它的容量為65536×18或131072×9，最快讀寫周期為6ns，可以滿足100MHz采樣數(shù)據(jù)的存儲。用戶可以選擇輸入、輸出寬度，當(dāng)選擇輸入、輸出寬度為18時，可存儲64K×10位的數(shù)據(jù)。如果選擇輸入、輸出為9位，則可使存儲容量擴(kuò)大到128×9位，這樣對精度要求不

6、高的用戶可以獲得更多數(shù)據(jù)。SN74V293有獨立的讀寫時鐘控制電路，允許讀寫操作同時進(jìn)行。SN74V293內(nèi)部有滿、空、半滿輸出信號以及可編程設(shè)定的幾乎滿和幾乎空輸出信號，通過這些信號控制器可以靈活控制FIFO的讀寫操作。對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，時鐘信號很重要。在本系統(tǒng)中選用DALLAS公司的DS1073時鐘芯片。DS1073是無需外部元件的頻率振蕩器。通過DALLAS獨有的1-ware）、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動程序以及主機(jī)應(yīng)用軟件。主機(jī)應(yīng)用軟件通過客戶驅(qū)動程序與系統(tǒng)USBI（USBDeviceInterface）進(jìn)行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動作；固件則響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB

7、標(biāo)準(zhǔn)請求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。3.1USB接口編程固件程序主要是實現(xiàn)USB通信。TUSB3210采用SIE來USB通信。當(dāng)主機(jī)與芯片進(jìn)行USB通信時，會產(chǎn)生外部中斷0，通過中斷矢量寄存器判斷。Setup_packed_Int、Input_endpoint0_Int、Output_endpoint0_Int這三個中斷主要用于與主機(jī)建立連接、進(jìn)行控制傳輸或中斷傳輸；Input_endpoint1_Int、Output_endpoint