数据采集卡USB2_0接口设计
基于USB2_0的多通道数据采集系统设计与实现
数据采集 电 子 测 量 技 术 EL ECTRON IC M EASU REM EN T TEC HNOLO GY 第30卷第6期2007年6月 基于USB210的多通道数据采集系统设计与实现王 潘明海(燕山大学信息科学与工程学院 秦皇岛 066004)摘 要:针对振动信号检测中信号采集的需要,介绍了一种基于USB210的多通道、带程控放大、可变采样率和采样时间的数据采集系统。
该系统能够多通道高速连续采样,单通道最高采样率可达400k,并具有结构简单、成本低、可靠性高等优点。
从固件程序、驱动程序、动态链接库和应用软件4个方面阐述了该系统软件编程思想,并对USB210接口芯片C Y7C68013的GPIF可编程逻辑接口与AD7899互连的控制时序及硬件电路设计原理做了深入分析。
最后通过已知信号对整个系统进行测试,验证了该系统能完成多通道连续采样的可行性和准确性。
关键词:USB210;数据采集;GPIF中图分类号:TP216 文献标识码:ADesign and implementation of multi2channel dataacquisition system based on USB210Wang Chong Pan Minghai(The college of Information Science and Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao066004)Abstract:According to the requirement of vibrating signal detection,this paper introduces a multi2channel data acquisition system,which has a programmable signal amplifier,variable sample rate and sample time.This system can sample signal on different channels simultaneously and the highest sample rate of one channel is400k.The thoughts of the software program,including firmware,driver,DLL,application software,are briefly explained.This paper also deeply analyzes the control time sequence between the USB210interface chip GPIF and analog to digital converter AD7899.In order to validate this system can sample signal veraciously and feasibly,the system is tested by the already known signal.K eyw ords:USB210;data acquisition;GPIF0 引 言本数据采集系统主要是应用于振动信号检测中,作为动态电阻应变仪的输出端。
基于USB2.0的高速数据采集器设计
基于USB2.0的高速数据采集器设计USB2.0数据采集系统包括硬件和软件两个方面，本文对基于USB2.0的高速数据采集系统进行了研究，完成对USB2.0高速数据采集系统的硬件电路设计，而软件方面则选取Cypress公司的FX2系列的芯片进行框架搭建和驱动软件编写。
标签：硬件设计；软件编写；AD78620 引言科学技术的发展使数据采集在各个方面的运用越来越多。
因此应用背景对高速数据采集系统提出了越来越高的要求。
USB2.0接口是计算机重要的外设接口，现如今已广泛推广开来，它具有使用方便，传输速度快、稳定性高、占用系统资源少、与外部接口简单等特点。
因此选择采用USB2.0来完成对数据的采集和传输，十分符合现如今的需求。
基于USB2.O的高速数据采集系统正是在这样的趋势下应运而生。
设计开发时选择了在市场上具有最优的性价比的Cypress公司的EZ-USBFX2系列的CY7C68013芯片，以此为平台开发高速数据采集器。
1 总体设计设计高速数据采集器主要包括三个方面：高速数据采集芯片AD7862、硬件设计、软件设计。
采集芯片AD7862：该芯片是AD公司生产的双核12位A/D转换芯片，即内置两个可以同时工作的A/D转换器，因此可以满足高速采集数据的要求。
两个采样放大器和两个A/D转换可以对两路模拟输入信号同时采样和转换。
芯片正常运行时内置5V基准电压且功耗只有60mW，所以适合USB设备使用。
在采集过程中，转换开始低电平有效，下降沿触发开始转换，保持两个采样放大器保持平稳。
BUSY信号此时为高电平，表示转换还未结束。
直到A/D转换完毕才回到低电平。
转换结束后AO用于两路模拟信号（V A1、V A2和VB1、VB2）地址选择。
2 硬件设计EZ-USBFX2芯片：CY7C68013，具有高效GPIF和智能SIE特点，可使数据传输和采集达到USB2.0可通过率的最大值，而且能处理兼容性的问题，扩大了采集器的应用范围。
硬件设计：接口--USB2.0电路设计
硬件设计：接⼝--USB2.0电路设计参考资料：⼀、USB2.0物理特性 1.1、USB接⼝ USB连接器包含4条线，其中VBUS、GND⽤于提供5V电源，电流可达500mA；⽽D+、D-⽤于USB数据传输。
D+、D-是⼀组差分信号，差分阻抗为90欧，具有极强的抗⼲扰性；若遭受外界强烈⼲扰，两条线路对应的电平会同时出现⼤幅度提升或降低的情况，但⼆者的电平改变⽅向和幅度⼏乎相同，所以两者之间的电压差值可始终保持相对稳定。
扩展：USB OTG(即USB On-The-Go)技术在完全兼容USB2.0标准的基础上，增添了电源管理(节省功耗)功能，它允许设备既可作为主机，也可作为外设操作，实现了在没有主机的情况下，设备与设备之间的数据传输。
例如数码相机直接连接到打印机上，通过OTG技术，连接两台设备间的USB⼝，将拍出的相⽚⽴即打印出来。
USB OTG接⼝中有5条线： 2条⽤来传送数据D+ 、D-; 2条是电源线VBUS、GND; 1条是ID线，⽤于识别不同的电缆端点，mini-A插头(即A外设)中的ID引脚接地，mini-B插头(即B外设)中的ID引脚浮空。
当OTG设备检测到接地的ID引脚时，表⽰默认的是A设备(主机)，⽽检测到ID引脚浮空的设备则认为是B设备(外设)。
1.2、反向不归零编码(NRZI) 反向不归零编码(Non Return Zero Inverted Code)的编码⽅式⾮常简单，即⽤信号电平的翻转代表“0”，信号电平保持代表“1”。
这种编码⽅式既可以保证数据传输的完整性，还不需要传输过程中包含独⽴的时钟信号，从⽽可以减少信号线的数量。
但是当数据流中出现长“1”电平时，就会造成数据流长时间⽆法翻转，从⽽导致接收器丢失同步信号，使得读取的时序发⽣严重的错误；所以在反向不归零编码中需要执⾏位填充的⼯作，当数据流中出现连续6个“1”电平就要进⾏强制翻转(即⾃动添加⼀位“0”电平)，这样接收器在反向不归零编码中最多每七位就会出现⼀次数据翻转，从⽽保证了接收器的时钟同步，同时接收器端会扔掉⾃动填充的“0”电平，保证了数据的正确性(即使连续6个“1”电平后为“0”电平,NRZI仍然会填充⼀位“0”电平); USB的数据包就是采⽤反向不归零编码⽅式，所以在总线中不需要时钟信号。
数据采集系统USB2.0接口设计
４ 接 口 固件 程 序 设 计
Ｉ Ｐ ５ １不 带 Ｃ Ｕ，故 需 由 与 其 连 接 的 微 控 Ｓ １８ Ｐ
Ａ ７０ Ｄ『 ：］ Ｄ［ ：ｊ １０ ５
／ ＡＷＥ
Ａ ［： ］ Ｄ７０ Ｔ １ ０ Ａ［５：ｊ
／ ／Ｗ Ｒ ＤＳ ＃
Ｄ Ｄ 。
ＩＰ ５ １ 为 接 口 芯 片 ， 它 是 ＵＳ ２ ０功 能 设 备 芯 Ｓ １８ 作 Ｂ．
通用串行总线 接 口 Ｉｐ ５ １ Ｓ １８
件接 口设计 和固件编程方 法 。 关键 词
Ｄｅ ｉｎ ｔ ｎ ｏ Ｂ ． ｎ ｅ ｆ ｃ ｎ ｄ ｔ ｃ ｕｓｔ ｎ ｓ ｓｅ ｓｇ ａ ｉ ｆＵＳ ２ ０ ｉ ｔｒ ａ ｅ ｉ ａ ａ ａ ｑ ｉｉｉ ｙ ｔｍ ｏ ｏ
Ｘｉｇ Ｗ ｅ Ｉ ｕ Ｋａｈ ａ ｎ ｉ Ａ ｉｕ
Ｋｅｗｏｄ ＵＳ ｉｔｒ ｃ Ｉｐ ５ １ ｙ ｒｓ Ｂ ｎｅ ａｅ Ｓ １ ８ ｆ
１ 系 统 方 案
基于USB2.0接口的PCM数据采集器设计与实现
基于USB2.0接口的PCM数据采集器设计与实现张莉;周雪纯;张乐【摘要】Be satisfied with X type plane's flight test, this collection equipment can implement collection data of environment vibrate parameter sensor. It provided with 100%vibrant parameter’s PCM data stream, and optional parameter’s RS422 data stream export function. It can receive the outer time and produce internal time. At the same time,100%vibrant parameter PCM data stream and optional parameter’s RS422 data stream are all created by upper computer programming load sof tware, then transmit and load to collection machine’s control board.%为满足X型飞机飞行试验的需求，设计了基于USB2.0接口的PCM数据采集器，该采集器实现了对机载环境下振动参数的采集、记录和实时监控功能，具备对100%及部分机载环境振动参数的PCM、RS422数据流记录功能，通过USB接口实现了上位机对100%PCM数据、可选RS422数据流的加载及实时监控功能。
【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】3页(P78-80)【关键词】USB传输;PCM数据流;可选RS422数据流;数据采集器【作者】张莉;周雪纯;张乐【作者单位】中国飞行试验研究院测控所陕西西安 710089;中国飞行试验研究院测控所陕西西安 710089;中国飞行试验研究院测控所陕西西安 710089【正文语种】中文【中图分类】TN919.6数据采集器是飞行试验中不可缺少的一个重要设备，以往使用的数据采集器均采用航空插头，与外设连接还需转换插头。
基于USB2.0接口芯片FX2的高速数据采集板的设计实现
基于USB2.0接口芯片FX2的高速数据采集板的设计实现朱正平;宁百齐;袁洪;肖山竹
【期刊名称】《网络新媒体技术》
【年(卷),期】2006(027)003
【摘要】介绍一种使用USB2.0接口芯片EZ-USB FX2系列CY7C68013作为主控芯片,外接高速FIFO、CPLD及高速ADC,设计实现了一个高速数据采集板,可对输入的单路单端模拟信号进行8位高速采样,通过PC机的USB2.0接口总线连续不问断地传输所采集的数据到PC机内存中,速率可达20MB(Bytes)每秒,同时可将内存中所采集的数据写到永久磁盘文件中.
【总页数】4页(P328-331)
【作者】朱正平;宁百齐;袁洪;肖山竹
【作者单位】中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029;中国科学院武汉物理与数学研究所,武汉,430071;中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029;中国科学院计算机软件研究所,北京,100080;国防科技大学ATR实验室,长沙,410005【正文语种】中文
【中图分类】TP3
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基于USB2.0数据采集系统设计
基于USB2.0数据采集系统设计摘要：USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。
USB总线是Intel，DEC，Microsoft，IBM等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范，是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。
USB具有较高的传输速度：USB协议1.1支持低速（1.5 Mb/s）和全速（12 Mb/s）2种传输模式，而2.0协议支持的速度提高到480 Mb/s。
他的数据传输速度比标准串/并口高，且具有使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点。
这几年，随着大量支持USB的个人电脑的普及，USB逐步成为PC机的标准接口已经是大势所趋。
在主机(host)端，最新推出的PC机几乎100%支持USB；而在外设(device)端，使用USB接口的设备也与日俱增，例如数码相机、扫描仪、键盘、鼠标等等。
而在工业控制方面，USB设备也占有重要的席位，如USB数字摄像头、USB温度记录仪等。
现在通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，存在以下缺点：安装麻烦；价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。
而USB数据采集方式不存在上述问题，其属于便携式设备，可热插拔，并且采集速度最高可达到480Mb/s。
CYPRESS公司的EZ_USB系列微控制器，采用增强的8051内核，通过集成USB控制器，有单片芯片完成USB设备的能力。
ADC0809CCN是并口八位精度的A/D转换芯片，其和8051的连接非常方便，本人本着学习USB2.0开发的态度，采用CY7C68013A-128和ADC0809CCN完成了一个简易的USB数据采集设备，其能够在插入PC机后，显示发现新硬件，正确安装驱动后可以通过上位机软件完成数据的实时采集。
[关键词] USB2.0；CY7C68013A-128S；ADC0809CCN；数据采集；一USB数据采集系统设计概述1.1 USB的特点（1）热插式（2）即插即用（3）共享式接口（4）接口体积小巧（5）节省系统资源（6）灵活（7）低成本（8）可靠性（9）提供电源（10）兼容性1.2设计目的USB接口是一种快速、双向、同步、廉价并支持热插拔的串行接口，支持多外设的连接，一台PC可同时支持126设备连接。
基于USB接口的视频采集卡设计与制作
基于USB接口的视频采集卡设计与制作第一章：引言随着数字化技术的飞速发展，人们对影像与多媒体数据的需求越来越高，尤其是视频数据的产生量也不断攀升。
人们不仅需要更高质量、更清晰的画面，也需要更快的传输速度和更广泛的设备接入途径。
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）接口作为一种高速、简易、灵活的接口方式，因其在数据传输方面突出的优势而被广泛应用于各种设备中。
本文将探讨基于USB接口的视频采集卡设计与制作的相关内容。
第二章：基础知识2.1 USB接口基本原理USB是由英特尔、微软、Compaq、IBM等公司联手开发的一种序列总线标准，目的是解决现有器件与计算机之间数据传输方式的不便。
USB采用主-从结构，通过控制传输方式及周期来实现设备之间的交换。
其工作原理为计算机通过USB控制器驱动传送到USB总线上的数据，在传输到设备时需要遵循USB的协议和标准。
USB由4根线汇聚而成：VCC（电源正极）、GND（电源负极）、D+（数据正极）和D-（数据负极）。
2.2 视频信号获取原理视频信号是电视信号的一种，在传输和处理过程中需要转换成数字信号，视频采集卡则是专门负责将模拟信号转换成数字信号的设备。
视频信号的采集过程一般经过模数转换、滤波、降噪等流程。
典型的采集卡有普通USB接口的“全能采集卡”和PCI接口的“高速采集卡”。
全能采集卡更加灵活，可接受多种视频信号输入，并可进行采集、编码、存储、加密等多种操作。
而高速采集卡则可以在短时间内采集大量数据，速度比其他采集卡更快。
第三章：设计与实现3.1 设计方案本文主要使用STM32F103单片机作为主控芯片，MAX14872芯片为USB接口控制器。
在模拟电路方面，使用多路交换器、信号放大器等模拟电路对模拟信号进行处理。
同时为了满足不同类型的视频信号输入，特别针对PAL、NTSC、SECAM等不同信号进行优化处理。
同时为了保证数据传输的稳定性和可靠性，在硬件方面采用多路滤波器等硬件设施来保证稳定的数据传输。
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嵌入式技术 电 子 测 量 技 术 EL ECTRON IC M EASU REM EN T TECHNOLO GY第33卷第1期2010年1月 数据采集卡USB2.0接口设计乔立岩 吴江伟 徐红伟(哈尔滨工业大学自动化测试与控制系 哈尔滨 150001)摘 要:数据采集在工业生产中的使用日益普遍。
在对数采卡硬件组成进行综述的基础上,详细描述了一种USB 接口的设计方案,包括USB接口的硬件结构设计、接口逻辑编写和USB固件程序、驱动程序以及应用程序的设计方法。
并通过实验对整个接口设计进行检测,实验结果证明该接口设计满足预期的目的和设计精度要求,传输速度可达20MB/s。
关键词:USB;固件程序;通用驱动程序;Lab windows/CV I中图分类号:TP334.7 文献标识码:BDesigns of USB2.0interface of data acquisition cardQiao Liyan Wu Jiangwei Xu Hongwei(Dept.of Automatic Test and Control,Harbin Institute of Technology,Harbin150001)Abstract:Data acquisition has been widely used in industrial production.Based on summarization of the hardware architecture,the thesis gives a detailed description of the design of USB interface,including the hardware design of USB2.0,The interface logic design in FP GA,USB firmware design,USB driver program design,and the application design.Through the experimental test,the result proves the design meets the accuracy and application objective expected,the data transporting rate is up to20MB/s.K eyw ords:USB;Firmware;GPD;Lab windows/CVI0 引 言本设计中数据采集卡依据给定的激励信号将采集到的数据实时保存到板卡上的存储器中,待采集完成后上传到计算机中进行分析处理。
针对设计中对数据传输接口的速度、准确性以及操作方便快捷等方面的要求,在本设计中选择U SB作为数采卡与计算机之间的通信接口。
U SB(universal serial bus),即通用串行总线,主要用于处理器与U SB设备的互联,是目前使用最为广泛的总线。
该总线结构支持热插拔,操作简单,携带方便,可靠性高,传输速度快,可独立供电,支持多媒体技术,成本低廉,最多可连接127个外围设备[1]。
随着U SB3.0的问世,其超高速模式传输速度可以达到U SB2.0的10倍,可以实现更低的功耗和更高的协议效率,U SB3.0的端口和线缆能够实现向后兼容,支持未来的光纤传输。
因此U SB总线技术已逐渐成为自动测试领域的发展趋势。
Cypress公司的C Y7C68013A接口芯片,它通过集成的发送器、SIE、增强型的8051内核、存储器和可编程I/O 接口来支持USB2.0协议,并且支持USB2.0的全带宽传输[2]。
每条指令占4个时钟周期,在48M时钟频率下工作时,单指令周期为83.3ns,执行速度远快于标准的8051单片机[3]。
本设计采用C Y7C68013A芯片设计的USB接口实现计算机与数采卡之间的正常通信,完成指令信号的传送和采集信息的存储处理。
本文重点介绍数采卡USB接口的硬件和软件设计方案。
1 USB接口的硬件组成本设计中的数据采集系统由硬件电路和软件系统两部分构成,硬件电路即数据采集卡部分,它的设计包括数据采集电路设计和USB接口电路设计两部分内容。
数据采集系统硬件电路的整体组成框图如图1所示。
图1 数采卡硬件组成框图 第33卷电 子 测 量 技 术USB 接口作为数采卡和计算机之间的交流平台,主要负责发送用户指令和接收采集的数据信息。
其硬件设计采用与FP GA 交互的方式来实现,FP GA 选用TI 公司的EP1C12Q240I7。
FP GA 作为系统的主控制器,接收上位机通过USB 发送的指令信号,并将指令信号译码之后发送到数采卡完成存储器擦除、系统复位以及数据上传等操作;同时FP GA 将数采卡采集到的数据信息传送到USB 接口芯片,经SIE 打包后送到计算机。
本系统接口设计方案中,选择USB 接口芯片的SlaveFIFO 通信模式,用FP GA 控制同步方式的数据读写。
USB 接口的硬件组成框图如图2所示。
图2 USB 接口硬件设计框图其中,IFCL K 为USB 接口芯片内部产生的48M Hz时钟,引入FP GA 芯片作为与USB 接口通信的主时钟;FL A GA ～FL A GD 信号作为USB 芯片端点FIFO 的状态检测标志位,用来反映对应端点FIFO 的空、满状态;FD [15:0]为FP GA 与USB 之间16位双向数据通信总线,FD[15:8]取代端口D ,FD [7:0]取代端口B ;硬件设计中将FIFOADR [0]下拉为低电平,通过FP GA 逻辑控制FIFOADR[1]电平的高低来选择当前操作的端点存储器,低电平为端点2,高电平为端点6;SL RD 和SL WR 为同步读、写控制信号;SLO E 用于使能数据总线的输出,只有在SLO E 有效(低电平)时,选择的操作端点才能正常进行数据传输,SL RD 和SL WR 信号才有效;P KTEND 信号在发送长度小于寄存器中指定长度的数据包时被激活,完成“短”包数据传输。
2 USB 接口的软件设计USB 接口的软件设计主要包括USB 接口的固件程序、USB 驱动程序以及用户应用程序3部分[4]。
数据采集的后续工作是靠这3部分程序的协同工作来完成的,软件运行的交互关系如图3所示。
其中,固件程序包括FP GA中的接口逻辑和68013中的固件程序两部分。
应用程序通过驱动程序将指令信号传送到USB 接口芯片,然后固件程序做相应的解析处理,将指令信号传送到数采卡,从而实现用户指令传送以及相关功能实现;FP GA 接收到上传数据指令时,向数采卡发送数据上传命令,数据通过FP GA 传送到68013,然后将数据上传到计算机中,由应用程序完成数据的存储和处理。
图3 USB 接口软件运行解析图2.1 FPG A 接口逻辑设计FP GA 接口逻辑主要负责数采卡与USB 接口之间的正常通信,它主要包括同步FIFO 的读操作和写操作。
这里的写操作是指将FP GA 中的数据写入68013,读操作是指从68013中读取指令到FP GA 。
同步FIFO 的写操作状态转换图如图4所示。
状态转换过程如下所述:当写事件发生时,转到状态1;状态1指向输入FIFO (即端点6的FIFO ),将FIFOADR[1]置为高电平,转向状态2;如果端点6的FIFO 不满,则激活SLO E 并转向状态3,否则停留在原状态;状态3传送FP GA 上传的数据,当IFCL K 上升沿(上升沿为有效触发沿)到来时,激活SL WR 信号,继续向端点6的FIFO 写数据,然后转向状态4;如果还有数据要写则从状态4转向状态2,重复上述写操作,否则转向空闲状态。
图4 同步FIFO 写操作状态转换图同步FIFO 的读操作状态转换图如图5所示。
状态转换过程如下所述:当读事件发生时,转到状态1;状态1指向输出FIFO (即端点2的FIFO ),将FIFOADR[1]置为低电平,转向状态2;如果端点2的FIFO 不空,则激活SLO E 并转向状态3,否则说明当前没有指令,停留于状态2等待用户指令;状态3传送总线指令信号,当IFCL K 上升沿到来时,激活SL RD 信号,将指令信号读到FP GA 中,然后转向状态4;如果还有指令要读则从状态4转向状态2,否则转向空闲状态。
乔立岩等:数据采集卡U SB2.0接口设计第1期图5 同步FIFO 读操作状态转换图2.2 USB 固件程序设计固件负责辅助硬件使设备能够双向交换数据,其主要功能是接收并处理USB 驱动程序的请求及应用程序的控制指令,包括设备的初始化、重枚举、中断处理、数据的收发以及外围电路的控制等[5]。
Cypress 公司针对EZ 2USB FX2系列芯片给出了一个Firmware 库和Firmware 框架,均采用Keil C51开发。
Firmware 库提供了一些常量、数据结构、宏定义、函数来简化用户对芯片的使用。
Firmware 框架实现了初始化芯片、处理USB 标准设备请求以及挂起状态下的电源管理等功能[6]。
这些资源对用户开发USB 接口有着极大的帮助,缩短了开发周期。
在本系统中,选择C Y7C68013的Slave FIFO 模式,数据传输模式采用控制传输和批量传输。
控制传输主要用来完成主机对数采卡的各种控制操作,即用来实现位于主机上的USB 总线驱动程序以及编写的功能驱动程序对设备的各种控制操作;批量传输主要用来完成主机和数采卡之间的大批量数据传输。
设计中将端点2配置成OU T 端点,FIFO 大小为512字节,单倍缓冲,自动传输模式;端点6配置成IN 端点,FIFO 大小为512字节,4倍缓冲,自动传输模式;使用P KTEND 信号,允许小批量数据传送。
在Firmware 框架的预留代码段(TD -Init ()等函数中)添加芯片初始化和完成特定功能的代码。
C Y7C68013的固件主要有两种引导方式,一种是存储在E 2PROM 上,通过上电自检自动将固件程序加载到C Y7C68013上;另一种方式是通过主机将固件程序下载到C Y7C68013[1]。
为了应用灵活,节省板上空间,降低硬件设计成本,在设计中采用了后一种方式,该方式是通过编写特定的固件下载驱动程序来实现的,在驱动程序设计中会有详细介绍。
2.3 驱动程序设计USB 系统驱动程序包括USB 设备驱动程序、USB 总线驱动程序和USB 主控制器驱动程序。
Windows 操作系统中嵌入了USB 总线驱动程序、USB 主控制器驱动程序以及通用的USB 设备驱动程序[7],可以满足基本USB 设备的需求,比如U 盘、USB 接口的数码设备等。