基于ＵＳＢ的多通道高速数据采集系统设计

摘要：介绍了一种基于USB的多通道高速数据采集系统，给出了系统实现的具体方案，并对各部分硬件电路的设计进行了阐述。对FPGA内部各主要功能模块设计做了简要介绍。该系统可以在硬件平台不变的情况下，通过改变软件程序实现不同功能和技术指标的系统，具有较高的通用性和实用价值。

关键词：多通道 数据采集 USB

1.引言

随着大规模集成电路与计算机科学技术的发展，数据采集技术将在雷达、通信、水声遥感、语音处理、智能仪器、工业自动化以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用。USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)是一种计算机和外部设备进行通信连接的新型接口，具有速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、使用灵活、兼容性好的特点[1]。

本设计采用AD9239实现四通道数据采集，其采样速率可达到200MHz，采集后的数据穿行送入FPGA中，完成数据采集后的存储与预处理，对处理后的数据通过USB接口实现与PC机之间通信。为了可以产生200MHz的时钟电路，本设计采用了ADI公司AD9516实现所需要的时钟[2]。

2.系统工作原理及组成

该多通道高速数据采集系统主要包括了AD9516系统时钟产生电路、信号调理电路、模拟数字转换电路、FPGA及其外围电路以及USB接口电路。具体的多通道高速数据采集系统原理框图如图1所示。

2.1 时钟电路设计

AD9516是一款集低相位噪声时钟发生和低抖动14通道时钟分配功能于一体的时钟分配器。其内部集成1个整数N分频的频率合成器、2个参考输入端、1个压控振荡器(VCO)、可调延迟线和14个时钟驱动器,还包括LVPECL、LVDS和CMOS输出。另外,片内集成的VCO可提高系统可靠性。14个输出通道分别为6路(3对)时钟可高达1.6 GHz的LVPECL输出和4路(2对)时钟高达800 MHz的LVDS输出,LVDS时钟输出可选为高达200 MHz的两通道CMOS输出。AD9516可设置3种工作模式,包括外部VCO、外部CLK以及内部VCO[3]。

2.2 AD采样电路

AD9239是一款四通道、12位、250 MSPS模数转换器（ADC），内置温度传感器与高速串行接口。AD9239采用1.8 V单电源供电，输入时钟可由正弦波、LVPECL、TTL或LVDS差分驱动。时钟占空比稳定器能在全速及各种时钟占空比条件下实现高性能。内置基准电压源无需外部去耦电路，并可以通过SPI控制进行调整。具体内部框图如图2所示。

2.3 FPGA电路设计

该设计中FPGA采用的是ALTERA公司StratixII系列器件EP2S60[4]。该器件继承了Altera公司StratixII系列的共同优点，由于引入了崭新的自适应逻辑模块(ALM)，使得Stratix II有更高的性能和逻辑封装、更少的逻辑和布线级数以及更强的DSP支持。此外，StratixII系列器件结构还包括以下与布线矩阵相连的一些电路：TriMatrix存储块，时钟延迟锁相环（PLL）[5]。该设计中配置器件EPCS16采用主动AS方式加载FPGA。

2.4 USB接口电路

为了可以将采集到的数据可以传给PC机以实时显示，该系统设计了USB接口电路。该接口电路主要采用了Cypress公司的USB2.0的集成微控制器CY7C68013，该芯片支持一种“E2PROM引导方式”，即先将固件下载到片外E2PROM中，当每次USB设备通电后，FX2自动将片外E2PROM中的程序读入芯片中[5]。其框图如图3所示。

3.FPGA内部功能

该多通道高速数据采集系统FPGA内部功能主要包括系统全局时钟模块、AD9516时钟配置模块、串并转换模块、数据预处理模块以及FIFO模块。具体内部功能模块如图4所示。FPGA程序的开发在QuartusⅡ6.0环境下，主要采用了模块化编程与Verilog DHL语言编程相结合，实现各功能模块开发。

4.结论

本文介绍了一种基于USB的多通道高速信数据采集系统设计，利用单片高速A/D转换器AD9239即可实现四通道高速数据采集。本设计中将采样后的高速串行数据送入FPGA中，在完成串并转换后可以实现信号的预处理。由于FPGA采用了高端芯片，可对采集后的数据进行一些复杂算法的处理，利用FPGA可编程的特点，实现不同的功能。对于处理后的数据采用USB接口实现与PC机之间的通信。该方案在硬件平台不改变的情况下，通过修改软件程序，即可用于不同系统，因此该方法具有较高的通用性，适合工程应用。◆

参考文献：

[1] 张萍.基于USB接口的高增益多通道数据采集器的研制[D]，华中科技大学，2006

[2] 罗轶群，代作晓.基于DSP与CPLD的多通道数据采集系统的设计[J]. 现代电子技术，2008（15）

[3] 王和国，张玉静，刘书明.基于AD9516的高速四通道时间交叉采样时钟的设计[J]．国外电子元器件，2008.6

[4] 段广云.基于AD7865的高速多通道数据采集系统设计[J]，青海大学学报，2008.4

[5] 汤占军. 基于USB的高速多通道数据采集系统的设计与实现[D]，昆明理工大学，2007

作者简介：吴诗豪（1985-），男，苗族，贵州铜仁人，西北民族大学计算机科学与信息工程学院（二级单位），学生，专业计算机科学与技术。