基于CY7C68001的USB多路高速数据采集系统

只看该作者 · 2014-8-31 11:02

系统总体设计方案
本文提出了一种基于LABVIEW的USB接口高速数据采集系统的设计，充分利用DSP丰富的片上外设以及高性能的数字信号处理能力，将采集的数据经DSP处理后通过高速USB接口传输到PC机上，通过LABVIEW软件按照用户的特定要求来处理并显示。
TMS320F2812型DSP芯片是TI公司推出的具有高速处理能力的高精度32位定点数字信号控制器，指令速度高达150MIPS，片内集成了模数转换器(A/D转换器)、脉宽调制电路、捕获单元、光电编码器、串行外设接口等模块，为进一步拓展DSP的应用领域提供了丰富的资源。本设计采用TMS320F2812芯片(DSP)作为数据采集与控制单元，以CYPRESS公司的高速USB接口芯片CY7C68001为基础，利用DSP片上A/D转换器采集数据，经处理后把数据通过USB总线传输至PC机，PC机接收到数据后按照用户的要求通过LABVIEW处理并显示数据。该系统主要有三部分组成：4通道被测信号调理部分、数据采集控制处理部分和上位机控制面板部分，系统总体框图如图1所示。

系统硬件设计

1、信号调理模块
由于被测输入信号范围为-15V~+15V，而DSP片上高速A/D转换器要求输入信号必须为0～3V,所以需要对被测信号进行调理。
信号调理模块主要由高速运算放大器AD8028组成。很多运放都有这样一个特点：当输入信号接近门槛电压时，输出从一个差分对到另一个差分对变换时会产生失真，再加上信号调理模块对输入信号衰减的比例很大，如果设计不当误差会更大，因此运放的选择非常关键。AD8028是AnalogDevices公司的轨到轨输入输出的高速运算放大器，工作电压2.7V-12V，共模抑制比110dB,带宽190MHz，压摆率100V/μS，它有一个突出的优点：即允许用户通过片上特定的引脚选择门槛电压，这无疑大大减小了失真，因此AD8028是一个理想的选择，其单通道信号调理模块电路图如图2所示。

2、数据采集模块
DSP片上ADC模块是可配置为2个独立的8通道模块、也可以级联构成一个16通道的带流水线的12位ADC，最高采样速率12.5MHz，流水线转换时间是80ns，单次转换时间是200ns。该模块主要由前向模拟多路复用开关、采样/保持电路、变换内核、结果寄存器、排序器、电压参考等部分组成，ADC模块的功能框图如图3所示。

USB从接口CY7C68001模块
CY7C68001集成有USB2.0收发器（物理层）、USB2.0串行接口引擎SIE（链路层）、4kB的FIFO和电压调节器、锁相环，支持高速（480Mb/s）或全速（12Mb/s）传输，3.3V操作电压，具有同步与异步的FIFO接口，支持USB2.0协议要求的全部4种传输方式（控制传输、中断传输、批量传输和同步传输），可以满足用户对各种数据传输方式的需求。片上的串行接口处理器（SIE）能完成大部分的USB协议操作，使用户可以摆脱复杂的协议细节，简化用户配置代码，加快程序开发过程。但是由于不带MCU内核，所以USB应用层协议应该由DSP编程实现，USB固件的加载必须靠DSP控制来完成。
本设计将CY7C68001映射为DSP的外设，占用DSP的外扩区域XINTF0空间，地址分配如下：FIFO2，FIFO4，FIFO6，FIFO8和命令口的地址分别为000，001，010，011，100，采用并行异步读写方式完成二者之间数据和命令的交换。当CY7C68001的地址线FIFOADR[2:0]为100时，选中CY7C68001的命令口，通过CY7C68001的命令口，可以访问其内部37个寄存器、Endpoint0缓冲器（64个字节FIFO）和描述表（500个字节FIFO）等。CY7C68001中断信号INT#和4个状态信号READY、FLAGA、FLAGB、FLAGC分别与DSP的外部中断1(XINT1)，GPIOA0，GPIOA1，GPIOA2，GPIOA3相连。在实际应用中，由于通信速度达480Mb/s，所以要对电源进行退耦处理，另外CY7C68001最好使用24MHz有源晶振以增强系统的抗干扰能力，硬件电路图如图4所示。

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系统软件设计
传统的开发USB应用系统的步骤是：先用WindowsDDK(设备驱动程序开发包)或第三方开发工具(如DriverStudio)开发USB驱动程序，然后用VisualC++编写DLL(动态连接库)，最后再调用DLL来开发应用程序。本文介绍一种简单快速开发USB接口应用系统的方法，它直接在LABVIEW环境下通过NI-VISA开发能驱动用户USB系统的应用程序，完全避开了以前开发USB驱动程序的复杂性，大大缩短了开发周期。
1、LABVIEW及其对VISA的调用　
VISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)是一个用来与各种仪器总线进行通讯的高级应用编程接口(API)，不受平台、总线和环境的限制，可用来对USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太网系统进行配置、编程和调试。当进行USB通信时，VISA提供了两类函数供LABVIEW调用：USBINSTR设备与USBRAW设备。USBINSTR设备是符合USBTMC协议的USB设备，可以通过使用USBINSTR类函数控制，通信时无需配置NI-VISA；而USBRAW设备是指除了明确符合USBTMC规格的仪器之外的任何USB设备，通信时要配置NI-VISA。
(1)配置NI-VISA的步骤　
①使用DriverDevelopmentwizard(驱动程序开发向导)创建INF文档；
②安装INF文档，并安装使用INF文档的USB设备；
③使用NI-VISAInteractiveControl(NI-VISA互动控制工具)对设备进行测试，以证实USB设备已正确安装，并获得USB设备的各属性值。
(2)与Nl-VISA相配合的LABVIEW模板中VI子节点　
ViOpen，打开并指定VISAresourcename的设备的连接；
ViProperty，VISA设备的属性子节点，可以设置端点或传输方式；
ViWrite，向VISAresourcename指定的设备写入数据；
ViRead，从VISAresourcename指定的设备读出数据；
ViClose，结束设备读写并关闭与指定设备的连接。　
(3)USBRAW设备读写的操作
USBRAW设备的读写流程图如图5所示。

2、前面板部分
LABVIEW是NI公司开发的一种基于图形程序的编程语言，用户利用创建和调用子程序的方法编写程序，使创建的程序模块化且编制简单直观。一个LABVIEW程序分为3部分；前面板、框图程序和图标/接线端口。前面板提供与用户交互的图形化界面，通过面板上的各种按钮、开关等控件可以实现对整个系统的操作或控制；实时波形显示窗口能对产生的信号波形进行预览和监视。还可以通过LABVIEW波形显示器自带的功能对波形进行观察和测量，对稳定的周期信号可以直接准确地读出幅值和频率，采集的正弦波波形如图6所示

结束语
随着电子计算机的广泛应用，社会的数字化程度越来越高，数据采集也越来越重要，本系统是一种通用的高速数据采集系统，可用于生物电波、电子学频谱、声波分析等瞬态信号的实时采集和观察等场合。其中基于USB总线的高速数据采集系统具有可靠性高、数据不丢失、抗干扰性强、便于数据传输和处理等优点，因而具有良好的应用前景和实用价值。