基于usb2.0的数据采集卡的制作方法

专利名称：基于usb2.0的数据采集卡的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及一种数据采集卡，特别是基于USB2.0接口的，单通道或双通道的，高速的数据采集卡。用于高速采集一路或两路模拟信号。
二、技术背景在工业生产和科学技术研究的各行业中，常利用PC或工控机对各种数据，如压力、频率、液位、温度等进行采集。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡。在USB产生以前，板卡与PC机的通信主要是通过PC机主板提供的各种接口来实现的，如ISA、PCI、PS/2、串行接口、并行接口等。这些老式接口最初是由IBM公司在20世纪80年代早期设计提出的，存在很多缺陷，如拆装采集卡不方便，而且每次安装后都需要重启计算机，需要外接电源等。
目前国内也出现了自主研发的基于USB的数据采集设备，但是，这些基于USB1.1协议的数据采集与传输设备满足不了数据高速传输的要求，因此传输速度成了高速数据采集和数据处理的瓶颈。而基于USB2.0协议的数据采集与传输的实用设备还比较少。因此，开发出基于USB2.0的数据采集与传输设备。
三、实用新型内容针对现有技术的不足，提出一种基于USB2.0的数据采集卡，它能克服现有技术的缺点，实现热插拔、总线电源单独供电；并且能进行高速数据采集，体积小，重量轻；并可满足现场、实时数据采集的需求。
本实用新型的技术方案如下包括数据传输模块，模数转换模块和电源转换模块三部分。具体组成是PC机通过USB电缆连接于数据传输模块的USB控制器，数据传输模块的USB控制器通过其通用可编程接口与模数转换模块相连，电源转换模块的输出分别连接于USB控制器和转换模块。所述数据传输模块，包括USB2.0控制器芯片分别通过相应引脚连接于晶体振荡器，复位电路和远程唤醒电路及其上拉电阻和下拉电阻。所述模数转换模块，包括两个通过并行方式连接的模数转换芯片，两个模数转换芯片分别连接于与门芯片；所述电源转换模块由三个电源转换芯片MX580、LTC1261L和MAX882将+5V电源转换成+2.5V电源，-2.5V电源，-5V电源和+3.3V电源。
本实用新型由于采用的是基于USB2.0协议的接口芯片CY7C68013，支持高速和全速通信，芯片内部集成了GPIF(通用可编程接口)，在数据采集和传输过程中不需要CPU的干预，有效的提高了数据传输速度，因此其传输速度远高于基于USB1.1协议的数据采集卡，适合需要高速数据采集的场合。省去了外接单片机，SIE(串行接口引擎)，存储器的麻烦，使整个系统接口简单，结构紧凑，可靠性高，适应性强。
四

图1为基于USB2.0的数据采集卡的结构框图。
图1中符号名称SIE-串行接口引擎；GPIF-通用可编程接口图2为数据传输模块电路原理图。
图2中符号名称U1-USB2.0控制器芯片；J1-USB的B型插座图3为模数转换模块电路原理图。
图3中符号名称U3、U4-模数转换芯片；U5-与门芯片图4为电源转换模块电路原理图。
图5为GPIF模式软件流程图。
五、具体实施方案
以下结合附图进一步说明本实用新型的具体实施。
图1为本实用新型的结构框图。具体构成是PC机通过USB电缆连接于数据传输模块的USB控制器，数据传输模块的USB控制器通过其通用可编程外围接口与模数转换模块ADC相连，电源转换模块的输出分别连接于USB控制器和转换模块。所述的USB控制器芯片采用集成了USB2.0收发器，串行接口引擎(SerialInterface Engine，简称SIE)，低功耗、增强型8051控制器，和一个通用可编程外围接口(General Programmable Peripheral Interface，简称GPIF)，并具有程序/数据RAM的USB2.0控制器芯片；所说的模数转换芯片通过并行连接方式与USB2.0控制器的GPIF接口相连；所说的电源转换芯片使用专用的电源转换芯片。其工作流程如下经调理后的两路模拟信号1与2分别经过两路模数转换器转换为数字信号，由USB控制器采集转换后的数据到其内部缓冲区，由程序根据缓冲区是否满标志决定是否传输数据至计算机。上电后，系统自动识别驱动程序，USB控制器的固件程序通过USB接口自动下载到其内部程序RAM中，并经过两次列举后开始工作，计算机可以通过用户软件取得系统的各种配置信息。USB控制器以GPIF Master模式进行数据采集和传输，并通过‘波形图’控制数模转换器采集和读取数据的时序。
图2为数据传输电路模块原理图。该数据传输电路包括USB2.0控制器芯片分别通过相应引脚连接于晶体振荡器，复位电路和远程唤醒电路及其上拉电阻和下拉电阻。图中的U1为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。由于系统采用从主机下载固件程序的方式，所以其SCL和SDA引脚闲置，分别连接一个2.2Ω的上拉电阻R4和R5。USB2.0控制器芯片CY7C68013和模数转换芯片ADC之间采用并行的数据通信方式(以下称CY7C68013芯片和ADC芯片)，其数据线FD[0∶15]的高8位和低8位分别与两片ADC的数据线相连，通过编程为GPIF模式，每次读取的FD[0∶15]的16位数据，通过程序把高低字节分开，即为每路ADC的数据。CY7C68013芯片的XTALIN和XTALOUT引脚为晶振的输入和输出引脚，与一个24MHz的晶体振荡器相连，通过控制器内部锁相环(PLL)产生480MHz的振荡时钟供收发器使用，并通过内部计数器分频为12MHz作为嵌入的增强型8051的时钟。CY7C68013芯片的RESET为复位引脚，连接到由100KΩ电阻、1.0μF电容和一个开关组成的复位电路；CY7C68013芯片的WAKEUP引脚为远程唤醒引脚，连接到一个与复位电路同样的远程唤醒电路。另外，CY7C68013芯片的RDY0，CTL0和CTL1都必须和ADC的相应引脚相连，以控制信号的采集和数据的读取。CY7C68013芯片的接口时钟信号IFCLK和保留引脚RESERVED分别通过下拉电阻R3与R6和地相连。
图2中的USB-B为USB的B型插座，通过USB连接线和主机相连。CY7C68013的DMINUS和DPLUS引脚通过和B型插座的D+和D-相连实现和主机的通信。为从主机引出的电源线，作为整个系统的电源。
图3为模数转换模块电路原理图。该模数转换模块包括两片并行模式连接的模数转换芯片U3和U4，两片ADC芯片U3、U4分别连接于一片与门芯片U5组成。ADC芯片采用的是ANALOG公司的AD7821。AD7821的MODE引脚接高电平以配置为WR-RD模式。ADC的引脚WR，RD分别与CY7C68013芯片的CTL0和CTL1相连，并由固件程序控制其对信号的采集和数据的读取。与门芯片U5为74LS08，两片ADC芯片的INT引脚分别经过与门芯片U5进行逻辑与运算，产生读数据控制信号READY。ADC需要的±2.5V基准电压和-5V电源分别和电源模块的相应电源连接。
图4为电源转换模块电路原理图。该模块由-5V电源，±2.5V基准电压，以及+3.3V电源三部分组成。该系统使用总线电源供电，不需要外加电源，因此就需要把+5V的系统电源转换为系统所需的-5V电源，±2.5V基准电压，以及CY7C68013所需的+3.3V的电源。U2、U6A分别为MAXIM公司的MAX882和MX580芯片，U7为LINEAR公司的LTC1261L芯片，反相器(及其所组的跟随器)UB1为National Semiconductor公司的LM358芯片。通过MX580芯片把+5V的电源转换为+2.5V，并由LM358组成的跟随器跟随输出；所得到的+2.5V的电源又由LM358组成的反相器转换为-2.5V，最终得到的±2.5V基准电压供ADC芯片使用。通过芯片LTC1261L，旁路电容和电位计组成的电路把+5V的电源转换为-5V电源提供给ADC芯片，电位计R8用以微调。通过芯片MAX882把+5V的电源转换为+3.3V供芯片CY7C68013使用，并且在CY7C68013的每个电源输入端都靠近电源接一旁路电容，使电源更稳定。
图5为固件程序流程图。程序开始后，首先要进行寄存器、缓冲区和GPIF波形图的初始化。初始化完毕，启动ADC芯片开始数据采集，然后等待模数转换的结束信号，转换结束后，读取数字信号到缓冲区中，然后在这里判断缓冲区是否满标志，如果满，则开始传输数据，否则，继续进行以上数据采集过程。数据传输结束，继续由主函数调用次采集过程，一直到主机控制该数据采集过程结束。
权利要求1.一种基于USB2.0的数据采集卡，其特征在于包括PC机通过USB电缆连接到数据传输模块的USB控制器，数据传输模块的USB控制器通过可编程外围接口(GPIF)与模数转换器模块相连，电源转换模块的输出分别连接到USB控制器和模数转换器模块。
2.根据权利要求1所述的基于USB2.0的数据采集卡，其特征在于USB控制器，包括USB2.0控制器芯片分别通过USB2.0控制器芯片的引脚连接于晶体振荡器，复位电路和远程唤醒电路及其上拉电阻和下拉电阻。
3.根据权利要求1或2所述的基于USB2.0的数据采集卡，其特征在于模数转换模块，包括两个通过并行方式连接的模数转换芯片，两个模数转换芯片分别连接与门芯片。
4.按照权利要求1或2所述的基于USB2.0的数据采集卡，其特征在于电源转换模块由三个电源转换芯片MX580、LTC1261L和MAX882将+5V电源转换成+2.5V电源，-2.5V电源，-5V电源和+3.3V电源。
5.根据权利要求3所述的基于USB2.0的数据采集卡，其特征在于电源转换模块由三个电源转换芯片MX580、LTC1261L和MAX882将+5V电源转换成+2.5V电源，-2.5V电源，-5V电源和+3.3V电源。
专利摘要一种基于USB2.0的数据采集卡，属数据采集卡。该采集卡包括数据传输模块，模数转换模块和电源转换模块三部分。数据传输模块采用集成了USB2.0收发器，串行接口引擎，低功耗、增强型8051控制器，和一个可编程外围接口(GPIF)，并具有程序/数据RAM的USB2.0控制器芯片。模数转换模块与数据传输模块中控制器芯片的GPIF接口相连。电源转换芯片采用专用的电源转换芯片，使接口简单，从而不需要外接电源，适合现场工作需要，同时也保证了系统的可靠性。整个采集卡小巧，便携，能进行高速数据采集和传输，尤其适合现场，和高速数据采集场合。
文档编号G06F3/00GK2886657SQ200620068340
公开日2007年4月4日 申请日期2006年1月10日 优先权日2006年1月10日
发明者戴振东, 李宏凯, 吉爱红, 于敏, 张昊, 郭策 申请人:南京航空航天大学