基于LABVIEW的USB接口多路高速數據采集系統的設計

引言

　　在日常的測試測量中，經常使用數據采集卡采集數據。但是很多數據采集卡往往通過PCI總線完成數據的傳輸，它有諸多弊端，例如操作不便，受限于計算機插槽數量和中斷資源，現場信號對計算機安全有威脅，計算機內部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響，最耗時最復雜的數據分析卻由用戶通過第三方軟件(如VC，VB等) 在PC機上編寫上位機軟件來完成，因此用戶不得不在這方面花費大量精力。這些問題都遏制了基于PCI總線的數據采集系統的進一步開發和應用，因此迫切需要設計一種更為簡便通用的高速數據采集通信系統來完成數據采集以及與計算機的數據交互。

　　近年來通用串行總線(USB)以即插即用等技術優勢得到了廣泛的應用，INTEL等公司最近公布了USB 3.0主控制器規范，該標準的數據傳輸速率有望達5Gbps，且支持雙向同時傳輸，完全可以滿足實時數據采集的要求。LABVIEW是美國NI公司基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發環境，內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，集開發、調試、運行于一體，其交互式的Express VI 易與各種范圍的I/O信號連接，可以非常容易地與各種主流的現場總線通信以及與大多數通用數據庫鏈接，大大簡化了開發進程。如果根據DSP本身的特點，把DSP集成到采集卡上，并把數據采集和部分數據處理工作留給DSP來完成，然后計算機再利用LABVIEW強大的數據處理顯示功能，這無疑將大大提高測量速度和精度。

　　系統總體設計方案

　　本文提出了一種基于LABVIEW的USB接口高速數據采集系統的設計，充分利用DSP豐富的片上外設以及高性能的數字信號處理能力，將采集的數據經DSP處理后通過高速USB接口傳輸到PC機上，通過LABVIEW軟件按照用戶的特定要求來處理并顯示。

　　TMS320F2812型DSP芯片是TI公司推出的具有高速處理能力的高精度32位定點數字信號控制器，指令速度高達150MIPS，片內集成了模數轉換器(A/D轉換器)、脈寬調制電路、捕獲單元、光電編碼器、串行外設接口等模塊，為進一步拓展DSP的應用領域提供了豐富的資源。本設計采用TMS320F2812芯片(DSP)作為數據采集與控制單元，以CYPRESS公司的高速USB接口芯片CY7C68001為基礎，利用DSP片上A/D轉換器采集數據，經處理后把數據通過USB總線傳輸至PC機，PC機接收到數據后按照用戶的要求通過LABVIEW處理并顯示數據。該系統主要有三部分組成：4通道被測信號調理部分、數據采集控制處理部分和上位機控制面板部分，系統總體框圖如圖1所示。

　　系統硬件設計

　　信號調理模塊

　　由于被測輸入信號范圍為-15V~+15V，而DSP片上高速A/D轉換器要求輸入信號必須為0～3V,所以需要對被測信號進行調理。

　　信號調理模塊主要由高速運算放大器AD8028組成。很多運放都有這樣一個特點：當輸入信號接近門檻電壓時，輸出從一個差分對到另一個差分對變換時會產生失真，再加上信號調理模塊對輸入信號衰減的比例很大，如果設計不當誤差會更大，因此運放的選擇非常關鍵。AD8028是Analog Devices公司的軌到軌輸入輸出的高速運算放大器，工作電壓2.7V-12V，共模抑制比110dB,帶寬190MHz，壓擺率100V/μS，它有一個突出的優點：即允許用戶通過片上特定的引腳選擇門檻電壓，這無疑大大減小了失真，因此AD8028是一個理想的選擇，其單通道信號調理模塊電路圖如圖2所示。

　　數據采集模塊

　　DSP片上ADC模塊是可配置為2個獨立的8通道模塊、也可以級聯構成一個16通道的帶流水線的12位ADC，最高采樣速率12.5MHz，流水線轉換時間是80ns，單次轉換時間是200ns。該模塊主要由前向模擬多路復用開關、采樣/保持電路、變換內核、結果寄存器、排序器、電壓參考等部分組成，ADC模塊的功能框圖如圖3所示。

　　USB從接口CY7C68001模塊

　　CY7C68001集成有USB2.0收發器（物理層）、USB2.0串行接口引擎SIE（鏈路層）、4kB的FIFO和電壓調節器、鎖相環，支持高速（480Mb/s）或全速（12Mb/s）傳輸，3.3V操作電壓，具有同步與異步的FIFO接口，支持USB2.0協議要求的全部4種傳輸方式（控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸），可以滿足用戶對各種數據傳輸方式的需求。片上的串行接口處理器（SIE）能完成大部分的USB協議操作，使用戶可以擺脫復雜的協議細節，簡化用戶配置代碼，加快程序開發過程。但是由于不帶MCU內核，所以USB應用層協議應該由DSP編程實現，USB固件的加載必須靠DSP控制來完成。

本設計將CY7C68001映射為DSP的外設，占用DSP的外擴區域XINTF0空間，地址分配如下：FIFO2，FIFO4，FIFO6，FIFO8和命令口的地址分別為000，001，010，011，100，采用并行異步讀寫方式完成二者之間數據和命令的交換。當CY7C68001的地址線FIFOADR[2:0]為100時，選中CY7C68001的命令口，通過CY7C68001的命令口，可以訪問其內部37個寄存器、Endpoint0緩沖器（64個字節FIFO）和描述表（500個字節FIFO）等。CY7C68001中斷信號INT#和4個狀態信號READY、FLAGA、FLAGB、FLAGC分別與DSP的外部中斷1 (XINT1)， GPIOA0，GPIOA1，GPIOA2，GPIOA3相連。在實際應用中，由于通信速度達480Mb/s，所以要對電源進行退耦處理， 另外CY7C68001最好使用24MHz有源晶振以增強系統的抗干擾能力，硬件電路圖如圖4所示。

　　系統軟件設計

　　傳統的開發USB應用系統的步驟是：先用Windows DDK(設備驅動程序開發包)或第三方開發工具(如Driver Studio)開發USB驅動程序，然后用Visual C++編寫DLL(動態連接庫)，最后再調用DLL來開發應用程序。本文介紹一種簡單快速開發USB接口應用系統的方法，它直接在LABVIEW環境下通過NI-VISA開發能驅動用戶USB系統的應用程序，完全避開了以前開發USB驅動程序的復雜性，大大縮短了開發周期。

　　LABVIEW及其對VISA的調用　

　　VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一個用來與各種儀器總線進行通訊的高級應用編程接口(API)，不受平臺、總線和環境的限制，可用來對USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網系統進行配置、編程和調試。當進行USB通信時，VISA提供了兩類函數供LABVIEW調用：USB INSTR設備與USB RAW設備。USB INSTR設備是符合USBTMC協議的USB設備，可以通過使用USB INSTR類函數控制，通信時無需配置NI-VISA；而USB RAW設備是指除了明確符合USBTMC規格的儀器之外的任何USB設備，通信時要配置NI-VISA。

　　(1)配置NI-VISA的步驟 　

　　①使用Driver Development wizard(驅動程序開發向導)創建INF文檔；

　　②安裝INF文檔，并安裝使用INF文檔的USB設備；

　　③使用NI-VISA Interactive Control(NI-VISA互動控制工具)對設備進行測試，以證實USB設備已正確安裝，并獲得USB設備的各屬性值。

　　(2)與Nl-VISA相配合的LABVIEW模板中VI子節點 　

　　ViOpen，打開并指定VISA resource name的設備的連接；

　　ViProperty，VISA設備的屬性子節點，可以設置端點或傳輸方式；

　　ViWrite，向VISA resource name指定的設備寫入數據；

　　ViRead，從VISA resource name指定的設備讀出數據；

　　ViClose，結束設備讀寫并關閉與指定設備的連接。 　

　　(3)USB RAW設備讀寫的操作

　　USB RAW設備的讀寫流程圖如圖5所示。

　　前面板部分

　　LABVIEW是NI公司開發的一種基于圖形程序的編程語言，用戶利用創建和調用子程序的方法編寫程序，使創建的程序模塊化且編制簡單直觀。一個LABVIEW程序分為3部分；前面板、框圖程序和圖標/接線端口。前面板提供與用戶交互的圖形化界面，通過面板上的各種按鈕、開關等控件可以實現對整個系統的操作或控制；實時波形顯示窗口能對產生的信號波形進行預覽和監視。還可以通過LABVIEW波形顯示器自帶的功能對波形進行觀察和測量，對穩定的周期信號可以直接準確地讀出幅值和頻率，采集的正弦波波形如圖6所示

　　結束語

　　隨著電子計算機的廣泛應用，社會的數字化程度越來越高，數據采集也越來越重要，本系統是一種通用的高速數據采集系統，可用于生物電波、電子學頻譜、聲波分析等瞬態信號的實時采集和觀察等場合。其中基于USB總線的高速數據采集系統具有可靠性高、數據不丟失、抗干擾性強、便于數據傳輸和處理等優點，因而具有良好的應用前景和實用價值。?