在電子測(cè)量中，不僅需要對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行高精度的采集和預(yù)處理,，而且要將其快速地傳送到計(jì)算機(jī),，以便于對(duì)測(cè)量的監(jiān)測(cè)。文中選用ADS8364來(lái)進(jìn)行多通道信號(hào)采集,，通過(guò)CY7C68013芯片采用USB2．O協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速傳輸,。
1 多通道，高精度的A／D轉(zhuǎn)換
ADS8364是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的高速,、低功耗,，6通道同步采樣16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS8364采用+5 V工作電壓,，并帶有80 dB共模抑制的全差分輸入通道以及6個(gè)4μs連續(xù)近似的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,、6個(gè)差分采樣放大器。
當(dāng)ADS8364采用5 MHz的外部時(shí)鐘來(lái)控制轉(zhuǎn)換時(shí),，它的取樣率是250 kHz,，同時(shí)對(duì)應(yīng)于4μs的最大吞吐率，這樣,，采樣和轉(zhuǎn)換共需花費(fèi)20個(gè)時(shí)鐘周期,。另外，當(dāng)外部時(shí)鐘采用5 MHz時(shí),，ADS8364的轉(zhuǎn)換時(shí)間是3．2μs,，對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間是0．8μs,。因此,，為了得到最大的輸出數(shù)據(jù)率，讀取數(shù)據(jù)可以在下一個(gè)轉(zhuǎn)換期間進(jìn)行,。
ADS8364中的采樣／保持模塊以最大吞吐率250 kB工作,，它的輸入帶寬大于ADC的奈奎斯特頻率。而典型的小信號(hào)帶寬是300 MHz,?？讖窖舆t時(shí)間為5 ns，每次的平均增量為5 ops,。這些特性反映了ADS8364接收輸人信號(hào)的能力,。
1．1 A／D前端信號(hào)調(diào)理電路
鑒于多通道信號(hào)采集的時(shí)序的重要性,，這里選用差分放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。
采用TI公司的運(yùn)算放大器OPA2227組成一個(gè)電壓放大器,，將輸入電壓轉(zhuǎn)換到ADS8364的差分輸入電壓范圍,。根據(jù)需要，可以通過(guò)調(diào)整放大電路中電阻的大小,，改變輸入電壓的范圍,，其對(duì)應(yīng)的參數(shù)表如表1所示。
ADS8364在參考電壓為2．5 V的情況下,，其測(cè)量范圍為±1．25 V,。而實(shí)際中的測(cè)試信號(hào)一般為±2．5 V，±5 V或±lO V,，所以,，在ADS8364的前端，要經(jīng)過(guò)線性衰減,、限幅和濾波,。其調(diào)理電路原理圖，如圖1所示,。
1．2 A／D電源電路
數(shù)據(jù)采集電路需要完成高精度的數(shù)據(jù)采集,，因此電源部分的設(shè)計(jì)是相對(duì)比較重要的。
在作進(jìn)一步的分析之前,，需要說(shuō)明采樣精度和有效位都是對(duì)采樣質(zhì)量高低的描述,。設(shè)采樣精度為vp，有效位為N,，基準(zhǔn)電壓為vREF,，基準(zhǔn)電壓噪聲電平為VN，則有
2 USB接口模塊設(shè)計(jì)
Cypress Semiconductor公司的EZ-USB FX2是世界上的第一款集成USB2．0的微處理器,，它集成了USB2．0收發(fā)器,、SIE(串行接口引擎)、增強(qiáng)型8051微控制器和可編程的外圍接口,。FX2這種獨(dú)創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到56 MB·s-1,，即USB2．0允許的最大帶寬。EZ-USB FX2 CY7C68013的微處理器是一個(gè)增強(qiáng)型的805l內(nèi)核,，性能可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)8051的5～10倍,，并與標(biāo)準(zhǔn)805l的指令完全兼容。增強(qiáng)型的8051內(nèi)核使用RAM芯片作程序指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,，從而使得EZ-USB FX2 CY7C68013具有“軟”特性,，也就是說(shuō)，可以通過(guò)自行編寫程序指令來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能。
由于USB通信是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要的任務(wù)目標(biāo),，所以在設(shè)計(jì)時(shí)也充分考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性,，所有的信號(hào)引腳都有排線引出，方便了測(cè)試和擴(kuò)展,。
3 FPGA邏輯電路
圖4為采集傳輸系統(tǒng)中FPGA與各模塊的連接,。
整個(gè)電路選用Altera公司推出的新一代低成本的Cyclone系列FPGA器件EPlC6Q240作為控制和信號(hào)處理芯片。EPlC6Q240型FPGA芯片具有強(qiáng)大的硬件邏輯功能,，總邏輯單元達(dá)5 980個(gè),，有I／O引腳181個(gè)，92 160位的內(nèi)部存儲(chǔ)單元,，20個(gè)RAM單元,，2個(gè)鎖相環(huán)。利用這些強(qiáng)大的功能,，可以很容易進(jìn)行模塊控制和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)濾波,。如圖4所示，通過(guò)FPGA對(duì)A／D進(jìn)行采樣控制,，將A／D采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后傳送到RAM中進(jìn)行,，或是直接通過(guò)USB模塊將數(shù)據(jù)床送到電腦中進(jìn)行處理。
采用VerilogHDL硬件語(yǔ)言編程來(lái)對(duì)A／D采集,，RAM傳輸,，USB傳輸?shù)冗M(jìn)行控制信號(hào)輸出，并對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波,。
A／D數(shù)據(jù)接口模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS8364數(shù)據(jù)的采樣,，采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。本模塊對(duì)ADS8364的控制引腳有：
(1)模擬采樣通道控制信號(hào)為／HOLDA,，／HOLDB,，／HOLDC；
(2)數(shù)據(jù)輸出模式以及通道選擇信號(hào)為A0,，A1和A2,；
(3)讀控制信號(hào)為／RD。
首先將5 MHz時(shí)鐘和使能信號(hào)相與產(chǎn)生新時(shí)鐘,，使用該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)一個(gè)20個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī),。在計(jì)數(shù)器值為15時(shí)將HOLDa，HOLDb,，HOLDc置0,，啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采樣。在計(jì)數(shù)值為2～3,，4～5，6～7，8～9,，10～ll,，12～13且相應(yīng)的通道得到使能時(shí)，分別發(fā)出通道l至通道6的通道地址,。在計(jì)數(shù)值為3,，5，7,，9,，ll，13時(shí)發(fā)出讀信號(hào)讀取相應(yīng)通道的數(shù)據(jù),。在計(jì)數(shù)值為15時(shí)發(fā)出采樣完畢信號(hào),，指示6通道數(shù)據(jù)已經(jīng)采集完畢。
USB控制電路分兩個(gè)模塊完成,。模塊1實(shí)現(xiàn)主機(jī)向FPGA寄存器單元的配置,，模塊2實(shí)現(xiàn)FPGA向主機(jī)的數(shù)據(jù)包輸出。
模塊1實(shí)現(xiàn)在地址IO模式下向寄存器寫數(shù)據(jù),。寫時(shí)序如圖7所示,。可以根據(jù)地址線和PWR信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)某寄存器的寫控制,。
模塊2實(shí)現(xiàn)在DMA模式下FPGA向主機(jī)的批量數(shù)據(jù)傳輸,。同步DMA的時(shí)序圖如圖8所示(時(shí)鐘由FPGA提供)。
本系統(tǒng)使用一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)該功能,，狀態(tài)機(jī)在“查找”和“傳輸”兩個(gè)狀態(tài)之間切換,。系統(tǒng)啟動(dòng)以后首先進(jìn)入查詢FIFO的狀態(tài)，在查詢到FIFO中的數(shù)據(jù)量大于一個(gè)USB數(shù)據(jù)包(2 040 bit)時(shí),，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入到“傳輸”狀態(tài),。在“傳輸”狀態(tài)下，按照上述同步,。DMA寫時(shí)序,，首先傳輸6 bit包頭，然后傳輸2 040 bit數(shù)據(jù),，最后傳輸2 bit數(shù)據(jù)校驗(yàn),。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，電路要一直查詢DMAING的狀態(tài),，檢測(cè)到：DMAING為低時(shí)要暫停數(shù)據(jù)傳輸,。在傳輸完2 kB數(shù)據(jù)后，狀態(tài)機(jī)再轉(zhuǎn)入到“查詢”狀態(tài),，進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài),。
系統(tǒng)當(dāng)前的工作時(shí)鐘為20 MHz，在USB接口處可以達(dá)到的最大帶寬約為10 MB，系統(tǒng)分頻給A／D的時(shí)鐘為5 MHz,，這樣可以保證A／D接口的最大帶寬達(dá)到3 MB,。在Flash接口處的帶寬約為5 MB。將時(shí)鐘速度提升l倍,，則USB口的傳輸能力可以達(dá)到約20 MB,。
數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存模塊主要是FPGA將高速A／D采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、暫存,。本套電路中使用了一片由,，TI公司生產(chǎn)的高速靜態(tài)RAM IS61-LV51216作為數(shù)據(jù)暫存器件；由FPGA對(duì)這片RAM存儲(chǔ)器進(jìn)行監(jiān)控,。
4 結(jié)束語(yǔ)
采用USB協(xié)議的數(shù)據(jù)采集卡可以滿足對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道的高精度采集,、處理和傳輸，在數(shù)據(jù)有效采集的情況下,，擺脫了對(duì)端口的依賴,。