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USB接口的高速數據采集卡的設計與實現
摘要：討論了基于USB接口的高速數據采集卡的實現。該系統采用TI公司的TUSB3210芯片作為USB通信及主控芯片，完全符合USB1.1協議，是一種新型的數據采集卡。現代工業生產和科學研究對數據采集的要求日益提高，在瞬態信號測量、圖像處理等一些高速、高精度的測量中，需要進行高速數據采集。現在通用的高速數據采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，存在以下缺點：安裝麻煩；價格昂貴；受計算機插槽數量、地址、中斷資源限制，可擴展性差；在一些電磁干擾性強的測試現場，無法專門對其做電磁屏蔽，導致采集的數據失真。
通用串行總線USB是1995年康柏、微軟、IBM、DEC等公司為解決傳統總線不足而推廣的一種新型的通信標準。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優點，已逐漸成為現代數據傳輸的發展趨勢。基于USB的高速數據采集卡充分利用USB總線的上述優點，有效解決了傳統高速數據采集卡的缺陷。
1 USB數據采集卡原理
1.1 USB簡介
通用串行總線適用于凈USB外圍設備連接到主機上，通過PCI總線與PC內部的系統總線連接，實現數據傳送。同時USB又是一種通信協議，支持主系統與其外設之間的數據傳送。USB器件支持熱插拔，可以即插即用。USB1.1支持兩種傳輸速度，既低速1.5Mbps和高速12Mbps，在USB2.0中其速度提高到480Mbps。USB具有四種傳輸方式，既控制方式（Control mode）、中斷傳輸方式（Interrupt mode）、批量傳輸方式（Bulk mode）和等時傳輸方式（Iochronous mode）。
考慮到USB傳輸速度較高，如果用只實現USB接口的芯片外加普通控制器（如8051），其處理速度就會很慢而達不到USB傳輸的要求；如果采用高速微處理器（如DSP），雖然滿足了USB傳輸速率，但成本較高。所以選擇了TI公司內置USB接口的微控制器芯片TUSB3210，開發了具有USB接口的高速數據采集卡。
1.2 系統原理圖
系統原理圖如圖1所示。
整個系統以TUSB3210為核心，負責啟動A/D轉換，控制FIFO的讀寫及采樣頻率的設定，與主機之間的通信及數據傳輸。
2 USB數據采集卡硬件
2.1 TUSB3210芯片
TUSB3210是TI公司推出的內嵌8052內核并帶有USB接口的微控制器芯片。TUSB3210有256字節的內部RAM，8K字節的程序RAM，512字節的USB數據緩沖和端點描述塊EDB（Endpoint Descriptor Blocks），4個通用的GPIO端口P0、P1、P2、P3，I2C接口電路，看門狗電路等。
TUSB3210的USB接口符合USB1.1協議，有4個輸入端點（Input Endpoint）和4個輸出端點（Output End-Point），支持全速和低速傳輸速率，并具有USB協議所規定的4種傳輸方式。TUSB3210的USB接口采用串行接口引擎（SIE）編碼和解碼串行數據，并且進行校驗、位填充，執行USB所需要的其他信號。這樣采用硬件完成USB協議，簡化了固件代碼的編制。
TUSB3210采用基于內部RAM的解決方案，允許通過I2C總線從串行EEPROM中讀入固件或從主機中下載固件程序。這項功能便于設備的開發與在線升級。
2.2 A/D芯片MAX1449
MAX1449是MAXIM公司生產的10位、105MSPS、單3.3V電源、低功耗的高速A/D芯片。它采用差分輸入，帶有高寬帶采樣/保持（T/H）的10階段流水線（pipeline）型結構的ADC，如圖2。采樣信號每半個時鐘周期通過一個流水線段，完成連續轉換到數據輸出共需5.5個時鐘周期。每個流水線首先通過一個1.5位的閃速ADC對輸入電壓量化，由DAC產生一個對應于量化結果的電壓并與輸入電壓作差，輸出電壓放大2倍后送到下一級流水線處理。每級流水線提供1位的分辨率，并進行差錯校正，得到良好的線性和低失調。
MAX1449提供一個2.048V的精確帶隙基準源，用來設定ADC滿量程范圍，也可以用外部基準源改變量程范圍。MAX1449的最大差分輸入電壓范圍為2V。
2.3 輸入信號處理電路
MAX1449芯片的輸入信號為差分輸入時有最佳的采樣效果。在本系統中用TI的HTS4503作為單端輸入到差分輸出的轉換電路。THS4503高性能的全差分運放，帶寬可達270MHz，具有非常好的線性，在100MHz下可支持11位的A/D轉換要求，適合作為A/D變換的前端接口電路。具體電路見圖3所示。
2.4 FIFO和時鐘發生電路
高速A/D變換的數據不能直接通過USB送入主機，系統中通過FIFO來緩沖數據。本系統采用TI公司SN74V293芯片。它的容量為65536×18或131072×9，最快讀寫周期為6ns，可以滿足100MHz采樣數據的存儲。用戶可以選擇輸入、輸出寬度，當選擇輸入、輸出寬度為18時，可存儲64K×10位的數據。如果選擇輸入、輸出為9位，則可使存儲容量擴大到128×9位，這樣對精度要求不高的用戶可以獲得更多數據。
SN74V293有獨立的讀寫時鐘控制電路，允許讀寫操作同時進行。SN74V293內部有滿、空、半滿輸出信號以及可編程設定的幾乎滿和幾乎空輸出信號，通過這些信號控制器可以靈活控制FIFO的讀寫操作。
對于高速數據采集系統，時鐘信號很重要。在本系統中選用DALLAS公司的DS1073時鐘芯片。DS1073是無需外部元件的頻率振蕩器。通過DALLAS獨有的1-wire技術，可以設定內部的分頻器數值，實現輸出頻率從27.3kHz～100MHz可調，從而方便地改變采樣時鐘，簡化電路設計。
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