專利名稱：基于usb2.0的數(shù)據(jù)采集卡的制作方法
專利說明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實用新型涉及一種數(shù)據(jù)采集卡，特別是基于USB2.0接口的，單通道或雙通道的，高速的數(shù)據(jù)采集卡。用于高速采集一路或兩路模擬信號。
二、技術(shù)背景在工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)研究的各行業(yè)中，常利用PC或工控機對各種數(shù)據(jù)，如壓力、頻率、液位、溫度等進行采集?，F(xiàn)在常用的采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡。在USB產(chǎn)生以前，板卡與PC機的通信主要是通過PC機主板提供的各種接口來實現(xiàn)的，如ISA、PCI、PS/2、串行接口、并行接口等。這些老式接口最初是由IBM公司在20世紀80年代早期設計提出的，存在很多缺陷，如拆裝采集卡不方便，而且每次安裝后都需要重啟計算機，需要外接電源等。
目前國內(nèi)也出現(xiàn)了自主研發(fā)的基于USB的數(shù)據(jù)采集設備，但是，這些基于USB1.1協(xié)議的數(shù)據(jù)采集與傳輸設備滿足不了數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?，因此傳輸速度成了高速?shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的瓶頸。而基于USB2.0協(xié)議的數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膶嵱迷O備還比較少。因此，開發(fā)出基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集與傳輸設備。
三、實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集卡，它能克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，實現(xiàn)熱插拔、總線電源單獨供電；并且能進行高速數(shù)據(jù)采集，體積小，重量輕；并可滿足現(xiàn)場、實時數(shù)據(jù)采集的需求。
本實用新型的技術(shù)方案如下包括數(shù)據(jù)傳輸模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊三部分。具體組成是PC機通過USB電纜連接于數(shù)據(jù)傳輸模塊的USB控制器，數(shù)據(jù)傳輸模塊的USB控制器通過其通用可編程接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，電源轉(zhuǎn)換模塊的輸出分別連接于USB控制器和轉(zhuǎn)換模塊。所述數(shù)據(jù)傳輸模塊，包括USB2.0控制器芯片分別通過相應引腳連接于晶體振蕩器，復位電路和遠程喚醒電路及其上拉電阻和下拉電阻。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，包括兩個通過并行方式連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片分別連接于與門芯片；所述電源轉(zhuǎn)換模塊由三個電源轉(zhuǎn)換芯片MX580、LTC1261L和MAX882將+5V電源轉(zhuǎn)換成+2.5V電源，-2.5V電源，-5V電源和+3.3V電源。
本實用新型由于采用的是基于USB2.0協(xié)議的接口芯片CY7C68013，支持高速和全速通信，芯片內(nèi)部集成了GPIF(通用可編程接口)，在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中不需要CPU的干預，有效的提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，因此其傳輸速度遠高于基于USB1.1協(xié)議的數(shù)據(jù)采集卡，適合需要高速數(shù)據(jù)采集的場合。省去了外接單片機，SIE(串行接口引擎)，存儲器的麻煩，使整個系統(tǒng)接口簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，適應性強。
四

圖1為基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)框圖。
圖1中符號名稱SIE-串行接口引擎；GPIF-通用可編程接口圖2為數(shù)據(jù)傳輸模塊電路原理圖。
圖2中符號名稱U1-USB2.0控制器芯片；J1-USB的B型插座圖3為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖。
圖3中符號名稱U3、U4-模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片；U5-與門芯片圖4為電源轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖。
圖5為GPIF模式軟件流程圖。
五、具體實施方案
以下結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的具體實施。
圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖。具體構(gòu)成是PC機通過USB電纜連接于數(shù)據(jù)傳輸模塊的USB控制器，數(shù)據(jù)傳輸模塊的USB控制器通過其通用可編程外圍接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC相連，電源轉(zhuǎn)換模塊的輸出分別連接于USB控制器和轉(zhuǎn)換模塊。所述的USB控制器芯片采用集成了USB2.0收發(fā)器，串行接口引擎(SerialInterface Engine，簡稱SIE)，低功耗、增強型8051控制器，和一個通用可編程外圍接口(General Programmable Peripheral Interface，簡稱GPIF)，并具有程序/數(shù)據(jù)RAM的USB2.0控制器芯片；所說的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片通過并行連接方式與USB2.0控制器的GPIF接口相連；所說的電源轉(zhuǎn)換芯片使用專用的電源轉(zhuǎn)換芯片。其工作流程如下經(jīng)調(diào)理后的兩路模擬信號1與2分別經(jīng)過兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由USB控制器采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)到其內(nèi)部緩沖區(qū)，由程序根據(jù)緩沖區(qū)是否滿標志決定是否傳輸數(shù)據(jù)至計算機。上電后，系統(tǒng)自動識別驅(qū)動程序，USB控制器的固件程序通過USB接口自動下載到其內(nèi)部程序RAM中，并經(jīng)過兩次列舉后開始工作，計算機可以通過用戶軟件取得系統(tǒng)的各種配置信息。USB控制器以GPIF Master模式進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，并通過‘波形圖’控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集和讀取數(shù)據(jù)的時序。
圖2為數(shù)據(jù)傳輸電路模塊原理圖。該數(shù)據(jù)傳輸電路包括USB2.0控制器芯片分別通過相應引腳連接于晶體振蕩器，復位電路和遠程喚醒電路及其上拉電阻和下拉電阻。圖中的U1為USB2.0控制器芯片，采用的是CYPRESS公司的FX2系列USB2.0控制器芯片CY7C68013。由于系統(tǒng)采用從主機下載固件程序的方式，所以其SCL和SDA引腳閑置，分別連接一個2.2Ω的上拉電阻R4和R5。USB2.0控制器芯片CY7C68013和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC之間采用并行的數(shù)據(jù)通信方式(以下稱CY7C68013芯片和ADC芯片)，其數(shù)據(jù)線FD[0∶15]的高8位和低8位分別與兩片ADC的數(shù)據(jù)線相連，通過編程為GPIF模式，每次讀取的FD[0∶15]的16位數(shù)據(jù)，通過程序把高低字節(jié)分開，即為每路ADC的數(shù)據(jù)。CY7C68013芯片的XTALIN和XTALOUT引腳為晶振的輸入和輸出引腳，與一個24MHz的晶體振蕩器相連，通過控制器內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生480MHz的振蕩時鐘供收發(fā)器使用，并通過內(nèi)部計數(shù)器分頻為12MHz作為嵌入的增強型8051的時鐘。CY7C68013芯片的RESET為復位引腳，連接到由100KΩ電阻、1.0μF電容和一個開關(guān)組成的復位電路；CY7C68013芯片的WAKEUP引腳為遠程喚醒引腳，連接到一個與復位電路同樣的遠程喚醒電路。另外，CY7C68013芯片的RDY0，CTL0和CTL1都必須和ADC的相應引腳相連，以控制信號的采集和數(shù)據(jù)的讀取。CY7C68013芯片的接口時鐘信號IFCLK和保留引腳RESERVED分別通過下拉電阻R3與R6和地相連。
圖2中的USB-B為USB的B型插座，通過USB連接線和主機相連。CY7C68013的DMINUS和DPLUS引腳通過和B型插座的D+和D-相連實現(xiàn)和主機的通信。為從主機引出的電源線，作為整個系統(tǒng)的電源。
圖3為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖。該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括兩片并行模式連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U3和U4，兩片ADC芯片U3、U4分別連接于一片與門芯片U5組成。ADC芯片采用的是ANALOG公司的AD7821。AD7821的MODE引腳接高電平以配置為WR-RD模式。ADC的引腳WR，RD分別與CY7C68013芯片的CTL0和CTL1相連，并由固件程序控制其對信號的采集和數(shù)據(jù)的讀取。與門芯片U5為74LS08，兩片ADC芯片的INT引腳分別經(jīng)過與門芯片U5進行邏輯與運算，產(chǎn)生讀數(shù)據(jù)控制信號READY。ADC需要的±2.5V基準電壓和-5V電源分別和電源模塊的相應電源連接。
圖4為電源轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖。該模塊由-5V電源，±2.5V基準電壓，以及+3.3V電源三部分組成。該系統(tǒng)使用總線電源供電，不需要外加電源，因此就需要把+5V的系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的-5V電源，±2.5V基準電壓，以及CY7C68013所需的+3.3V的電源。U2、U6A分別為MAXIM公司的MAX882和MX580芯片，U7為LINEAR公司的LTC1261L芯片，反相器(及其所組的跟隨器)UB1為National Semiconductor公司的LM358芯片。通過MX580芯片把+5V的電源轉(zhuǎn)換為+2.5V，并由LM358組成的跟隨器跟隨輸出；所得到的+2.5V的電源又由LM358組成的反相器轉(zhuǎn)換為-2.5V，最終得到的±2.5V基準電壓供ADC芯片使用。通過芯片LTC1261L，旁路電容和電位計組成的電路把+5V的電源轉(zhuǎn)換為-5V電源提供給ADC芯片，電位計R8用以微調(diào)。通過芯片MAX882把+5V的電源轉(zhuǎn)換為+3.3V供芯片CY7C68013使用，并且在CY7C68013的每個電源輸入端都靠近電源接一旁路電容，使電源更穩(wěn)定。
圖5為固件程序流程圖。程序開始后，首先要進行寄存器、緩沖區(qū)和GPIF波形圖的初始化。初始化完畢，啟動ADC芯片開始數(shù)據(jù)采集，然后等待模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)束信號，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取數(shù)字信號到緩沖區(qū)中，然后在這里判斷緩沖區(qū)是否滿標志，如果滿，則開始傳輸數(shù)據(jù)，否則，繼續(xù)進行以上數(shù)據(jù)采集過程。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，繼續(xù)由主函數(shù)調(diào)用次采集過程，一直到主機控制該數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束。
權(quán)利要求1.一種基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于包括PC機通過USB電纜連接到數(shù)據(jù)傳輸模塊的USB控制器，數(shù)據(jù)傳輸模塊的USB控制器通過可編程外圍接口(GPIF)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊相連，電源轉(zhuǎn)換模塊的輸出分別連接到USB控制器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于USB控制器，包括USB2.0控制器芯片分別通過USB2.0控制器芯片的引腳連接于晶體振蕩器，復位電路和遠程喚醒電路及其上拉電阻和下拉電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，包括兩個通過并行方式連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片分別連接與門芯片。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于電源轉(zhuǎn)換模塊由三個電源轉(zhuǎn)換芯片MX580、LTC1261L和MAX882將+5V電源轉(zhuǎn)換成+2.5V電源，-2.5V電源，-5V電源和+3.3V電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于電源轉(zhuǎn)換模塊由三個電源轉(zhuǎn)換芯片MX580、LTC1261L和MAX882將+5V電源轉(zhuǎn)換成+2.5V電源，-2.5V電源，-5V電源和+3.3V電源。
專利摘要一種基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集卡，屬數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡包括數(shù)據(jù)傳輸模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊三部分。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用集成了USB2.0收發(fā)器，串行接口引擎，低功耗、增強型8051控制器，和一個可編程外圍接口(GPIF)，并具有程序/數(shù)據(jù)RAM的USB2.0控制器芯片。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊中控制器芯片的GPIF接口相連。電源轉(zhuǎn)換芯片采用專用的電源轉(zhuǎn)換芯片，使接口簡單，從而不需要外接電源，適合現(xiàn)場工作需要，同時也保證了系統(tǒng)的可靠性。整個采集卡小巧，便攜，能進行高速數(shù)據(jù)采集和傳輸，尤其適合現(xiàn)場，和高速數(shù)據(jù)采集場合。
文檔編號G06F3/00GK2886657SQ200620068340
公開日2007年4月4日 申請日期2006年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月10日
發(fā)明者戴振東, 李宏凱, 吉愛紅, 于敏, 張昊, 郭策 申請人:南京航空航天大學