基于USB接口的便攜式信號采集器

0 引言
在高速信號采集設備中，高速采集和實時數據的存儲是一對固有矛盾。特別是在一些強調便捷性的場合中，這個問題愈發突出。該問題與設備接口、數據存儲介質和控制方式三個方面相關。目前數據采集系統的接口方式很多，如RS 232串行口、并行口、ISA總線、PCI總線、PXI總線、USB等。RS 232明顯滿足不了速度的要求，PCI總線和PXI總線速度快，但是該接口方式通用性比較差，軟件復雜，不易實現。USB 2．O傳輸速度可達480MSPS，支持即插即用，方便快捷，通用性強。數據存儲介質多采用硬盤。硬盤具有體積大，容量大的特點。然而NAND FLASH具有體積小，速度快，操作方便的優點。
采集控制多采用虛擬儀器設備，這類設備需要使用電腦，功能強大，還需要操作系統的支持。采用FPGA作為控制核心，具有體積小，靈活等特點。所以采取USB和FPGA及NAND FLASH的采集設備具有靈活、便捷、高速的特點。采取間斷性的采集方式能夠很好地解決高速采集與實時數據存儲之間的固有矛盾。

1 采集設備系統設計
該系統能夠實現最高采樣率80 MHz，其采樣寬度為14位，輸入電壓峰峰值為2 V，最大存儲容量為2 GB。該系統由6大部分組成，分別是模／數轉換單元、緩存單元、USB傳輸單元、數據存儲單元、總控制單元、系統的電源設計。系統框圖如圖1所示。

1．1 模／數轉換單元
A／D轉換的最高采樣率為80 MSPS，輸出為14位的二進制補碼數據。芯片支持差分模擬信號的輸入，并且輸出CMOS兼容電壓。
1．2 緩存單元
由于前端A／D的最高采樣率為80 MSPS，因此需要先對數據進行緩沖后才能將數據不丟失存儲；又因為要滿足最高采集1 MB的連續模擬信號，且不丟失數據，因此緩存的容量至少為1 MB。采用的異步型SRAM IS61LV51216，存取時間為10 ns，單片容量為1 MB，故滿足了這個要求。
1．3 數據存儲單元
按便攜式采集不能采用磁介質存儲設備，同時還需要較存儲容量，因SAMSUNG公司的K9K8G08UOA芯片作為存儲芯片具有體積小，重量輕，單片容量8 Gb等特點。并且可以更換為單片64 Gb的NAND FLASH芯片實現目前8倍存儲容量的升級，故采用它。
1．4 USB傳輸單元
采用USB接口進行數據傳輸具有方便、靈活的特點。采用CY7C68013 USB控制芯片容易實現將采集后的數據傳輸到電腦。
1．5 總控制單元
總控單元采用2片FPGA作為采集存儲的控制核心，型號為EPC2C8208。總控制單元負責控制協調模／數轉換單元、緩存單元、數據存儲單元以及USB傳輸單元之間的數據傳輸，以實現系統的整體設計功能。
1．6 系統的電源設計
在整個系統中利用5 V為直接輸入電壓(5 V電壓可以是電壓源輸入的也可以利用USB總線供電)，利用電源轉換芯片LT_1764-3．3得到3．3 V電壓，用PTH05000得到1．2 V電壓。

2 采集設備系統工作模式
該采集系統采取數據導入和采集兩種工作模式；兩種工作模式獨立工作方式來降低系統復雜度，采集模式在采集控制按鍵按下后開始信號采集，數據存儲完成后進行LED報警表示采集完成；數據導入模式中存儲的數據從FLASH中向計算機中導入，導入完成后提示。
采用SRAM和FLASH雙乒乓的方式進行工作模式，系統實現最大的信號的吞吐率。圖2，圖3分別為2種工作模式的流程。