基于高速USB接口模塊的數據采集系統

引言

工程師在設計基于PC的數據采集系統時都認為，要想獲得比較好的性能，都需要使用PCI總線。其實并不是這樣，隨著USB通信技術的不斷發展，USB總線的傳輸速度和可靠性都在逐步提升。對于廣范應用的USB2.0，其最快速度能夠達到480 Mb/s。就算其中一些中斷或者協議占用一部分帶寬，高于80 Mb/s的速度也是很容易實現的。而USB3.0協議下的理論速度可以達到USB2.0的10倍左右。另外，相比于PCI卡，USB接口對系統的開發與升級更加方便。

QuickUSB[1]是基于CY7C68013A[2]開發的一款針對USB2.0的高速USB模塊。Bitwise公司為這款模塊提供嵌入EEPROM的底層程序，同時還在PC端提供了相應的LabVIEW和C語言的API底層程序，這為系統的開發提供了很大的便利。本文設計的系統[3]就是基于這個原理。

1 硬件電路設計

系統的核心硬件是FPGA、ADS803E、CY7C68013A以及Bitwise公司的內嵌底層程序的EEPROM。

圖1是FPGA的配置電路。CY7C68013A可以通過PS模式來配置FPGA，而不需要其他的下載器。系統選擇的FPGA型號是EP2C50F484，為了使用PS模式下載，需要分別設置MSEL0=1，MSEL1=0，MSEL2=0。注意配置端口需要增加上拉電阻來保證其正常工作。

圖1 FPGA的配置電路

系統選擇ADS803E作為ADC轉換電路，ADS803E的轉換速度可以達到5 MHz，而且其引腳與同類型的10 MHz的ADS804以及20 MHz的ADS805兼容。圖2是系統ADC轉換電路。

對于ADS803E的輸入信號首先要經過一級運放跟隨，目的是為了將輸入信號控制在其測量范圍之內。ADS803E的測量范圍可以通過改變圖中電阻R1與R2的值來實現，其量程范圍為0~2×R1+R2R1。ADS803E的輸出要在6個時鐘之后才會有效，也就是說其數字輸出對于模擬輸入存在6個時鐘的延時。同時，為了減小系統的功耗，在不需要進行ADC轉換的時候，可以通過FPGA將ADS803E的時鐘停止。

圖2 ADC轉換電路