基于USB的高速隔离数据采集系统设计

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                    1 数据采集系统技术现状
采用Intel或兼容的硬件及微软或兼容的软件的数据采集系统，俗称Wintel架构。由于Wintel架构已经成为商业PC机的主流，其标准公开、结构公开、软件及开发工具公开，因此具有很好的开放性。且硬件成本和开发成本相比较均很低。因此，这种基于PC的数据采集系绰架构以其开发成本低、开放性、运算能力、通讯能力强、易于使用，成为设计应用的主流。Wintel架构的数据采集系统可分为2种形式：
1．1 基于板卡的集中式数据采集系统
基本方式是采用数据采集卡进行数据采集。具有代表性的厂家如Advantech，NI。主要做法是将一块基于IAS或PCI的板卡插人工业计算机或商用机上，将外部信号通过导线引至计算机的端子上然后接人数据采集卡，通过定制的软件就可以进行采集。优点是成本较低、速度块，如1MHz数据采集；缺点是传输距离短、可靠性一般，同时布线费用高。如NI的PCI-6025E，他有16个模拟输入通道，2个通道的模拟输出，32个数字I／O，增益可调，12b分辨率，200k采样率。插入计算机的PCI插槽与主机连接。
1．2 基于分布式的数据采集系统
基本方式一是智能采集模块记录信号，再通过一些通用总线如RS232，RS485进行传送，但这样的速度、距离都受到很大限制。或者是使用一些仪器专用总线女口IEEE-488或VXI，例如Nicolet的BE256-XE多通道瞬态记录仪，他就采用IEEE-488总线，传输速率为1Mb／s，一个系统中总线上最多可连接15台设备；二是采用基于现场总线的数据采集模块，流行的现场总线如CANBUS，Profibus等。代表性的厂家如ADVANTECHADAM系列等。基本做法是通过现场总线将智能模块引入计算机，上位机通过定制的软件和智能模块通讯。他的优点是易维护、布线简单、可靠性高；缺点是采样速度低、成本较高。
在电力系统、航空航天等行业的特殊环境，如对雷击、短路等瞬态突变过程，高电压、大电流设备、浮地系统等的数据采样分析，除了需要考虑高速、高分辨率外，还要考虑到隔离的问题，来保证数据传输时的正确性和可靠性，以及人员设备的安全。首先可以在采集系统的输入前端隔离，将被测信号的地与设备的地隔离。通常可以采用光耦器件或隔离放大器，这样做的缺点就是限制了采集信号的频率范围和通频带宽度。其次在数据向上位机的传送时使用光纤，保证信号在传输过程中不会受到外界恶劣环境的干扰。如Nicolet的63xi系列，他采集前端用了隔离探头，向上位机传送命令与数据时均采用了光纤。
2 数据采集系统设计
本文设计的数据采集系统的性能指标为：采样速度20MS／s，采样精度12b，采样深度512k。主要应用于测量雷击、短路等高电压场合。将高速数据采集系统分为数据的获取，数据存储和数据传输3大部分。
2．1 数据获取
在数据采集的过程中并不是所有的数据都需要采集。只有在符合某些特定条件下，才触发进行采集。这对于在工业现场用电池进行供电及高分辨率的设备是非常必要的。
触发信号可以有以下几种方式产生：
外部触发 一个特殊的外部信号用于触发。
人工触发 由操作员发出触发信号(软件)。
自动触发 触发信号由系统自动产生。
信号触发 当采集到的信号符合某些特定条件时，由触发信号探测器产生触发信号。
信号触发即根据触发模式的要求，设定比较器的触发电平与触发方向。其最基本的触发方式是信号在特定方向穿过特定的电平。具体还可以分为3类：
①报警触发模式 2个比较器同时工作，设定2个触发电平，确定了输入信号的限定范围。当信号高于最大值或低于最小值时，产生触发信号。如图1所示。

②连续触发模式 2个比较器一个用于激活触发探测器，另一个用于产生触发信号。当输入信号越过一个比较器设定的电平，令一个比较器被激活。当信号同次越过另一个比较器设定的电平时，触发信号产生。如图2所示。这种触发方式可以消除噪声及高频成分的干扰。

③窗口触发模式 2个比较器设定2个电平，限制触发区域。其中一个电平为触发电平，另一个为取消触发电平。如图3所示，当信号正向越过触发电平进入窗口时，激活触发探测器；同次又越过取消触发电平，则不产生触发信号，否则将产生触发信号。这种触发模式对监测周期信号的峰值变化非常有用。


2．2 数据存储
高速数据采集系统的数据写入是连续循环的方式，可以根据采样速度和深度灵活应用不同的存储方案。通常有以下几种选择：
(1)采用DMA方式与高速SRAM
依靠单片机程序控制，每次传送数据都需要CPU执行若干条指令，因而传输速率受CPU指令运行速度的限制。存储器与CPU在DMA控制器控制下，直接传送数据而不通过CPU，数据的传输速度取决于DMA控制器的速度。同时高速的SRAM的读写时间可达几个纳秒或十几个纳秒。完全可以满足高速采样的要求。但这种方案不能进行实时传输。
(2)采用双端口存储器
其优点是数据写入与数据读出可各占用一个端口，可同时对同一个芯片进行读和写的操作。但这种方案在实时采样传输的系统中，要求数据写入与数据读出的速度必须一致。若二者速度不一致，会导致读出的数据不连续，使采样数据失真。
(3)采用先人先出(Firs In First Out)存储器
他的特点是在同一个芯片里的同一个存储单元有2个端口，一个是输人口，只负责数据的写入；另一个是输出口，只负责数据的输出。在对FIFO存储器进行读写操作时不需要地址线寻址，他是按照一种环形结构，并根据先人先出的次序存放数据。只要FIFO存储器没有被写满，就可以连续写入。存储器存储单元中的数据会一直保存到他被读取，一旦读取将自动消失。这样就可解决上述速度不一致的问题。但FIFO缺点是容量不是很大，且价格昂贵。
2．3 数据传输
在分布式的数据采集系统中，传统的总线如RS232，RS485的传输速度是不能满足高速的系统性能要求，而现场总线的成本又较高。USB技术是一种能满足各方面要求的选择。
2．3．1 USB概述
USB是目前发展非常迅速的一项技术。他是一种计算机系统连接外围设备的标准输入／输出接口。将外设接人时USB接口是优先的选择，他有许多其他接口难以比拟的优点；
①传输速度快 USB支持3种信道速度，低速的1．0版本支持1．5Mb／s，全速的1．x版本为12Mb／s，2．0的高速传输速率可达的480Mb／s。可根据应用场合的不同灵活选用不同的速度。
②不需外接电源 USB接口包含+5V的电源线与地线。可从集线器获得500mA以下的电流。
③低成本 USB接口比起以前的接口复杂，但他的组件与电缆都不贵。与以前的接口相比成本甚至更低。
④有弹性 USB拥有4种不同的传输类型，控制、中断、批量和实时传输。无论交换数据量大还是小，还是有无时效的限制，都有合适的传输类型。
⑤容易使用 当USB设备连接到计算机，Windows操作系统会自动检测该设备，并加载驱动程序，不用用户设置。
⑥低能耗 USB外围设备处于待机状态时，会自动启动省电功能来降低能耗。
基于上述种种优点，在高速数据采集系统中应用USB接口可以满足系统性能要求，并充分发挥其特点。
2．3．2 传输方法
基于USB的数据传输可采用2种方法：
一种是采用通用的单片机与USB接口芯片。如图4所示，提供接口芯片的厂商很多，如National Semiconductor公司的USBN9602，Philips公司的PDIUSBDl2等。这种方法可由设计者的习惯选用熟悉的单片机。

而目前USB技术越来越成熟，生产包含USB接口模块的单片机的厂商也越来越多，种类也越来越丰富。例如Intel公司的89x3系列、Motorola公司的MC68系列，尤其突出的是Cypress公司，他们生产的USB单片机从低速、全速到高速非常全面，并且根据需要选用I／O口数目、RAM大小不同档次的芯片。这种方法硬件设计较简单，但是带USB接口的单片机的开发系统与普通单片机的开发系统不兼容，需要购买新的开发系统，投资较大。
3 数据采集硬件设计
该数据采集系统所需要的采样的数据是由触发信号产生的时刻决定的，因此不必采用实时采样传输的方式，不断的传送大量无用的数据到上位机；而宜采用采集到的数据在现场设备的存储器中循环存储，等待触发信号的来到，记录有用数据，再根据上位机的指令，传输数据。
根据上述指标，2个数据间的间隔为50ns，所以从AD输出数据到存储完成的全过程的时间要小于50ns。由于AD转换器是12b的，使用16b的存储器是可行的。ISSI公司的IS61LV51216是512kXl6b高速静态异步RAM，其写入周期最短的只有8ns，完全符合要求。
同时以普通的单片机控制读写是难以完成的。因此必须使用特殊的存储方法，如分时存储、DAM方式等。分时存储硬件电路结构比较复杂，且灵活性差。若采用CPLD器件，以ISP技术编写DMA控制器，无论从时间要求、电路复杂程度、调试修改的灵活性都是极佳的选择。如图5所示。CPLD在本系统中作为DMA控制器，他的时钟与AD的同步，当AD转换器开始工作，单片机将地址总线与数据总线的控制权交给CPLD，实现循环存储的地址发生与写人数据控制，实验结果表明每次产生地址的延迟只有几个纳秒。此外他还完成了信号触发的数字比较器和触发逻辑控制器的功能：AD转换输出的数据还传送给CPLD，与预置数据进行比较，再根据触发逻辑产生触发信号。用CPLD的实现的数字比较器与控制逻辑功能，不仅能充分利用资源，简化电路，而且以数字方式实现的参考电平稳定，没有模拟器件的电压波动，与信号频率无关。

采集系统前置放大器的放大倍数应该是可调的。由于采样频率较高，因此不宜采用带宽较窄的可编程模拟放大器件。可使用宽频带放大器，采用继电器切换电阻网络方式调节放大器增益。
传统的串行总线在传输速度上大大逊色于USB总线，对于高速大容量的数据采集系统，采用USB接口是更适宜的选择。由于传输速度较快，用普通单片机和USB接口芯片的方案，单片机的处理速度可能会影响传输速度。Cypress公司的EZ-USB系列单片机，使用改进的8051核心，每个指令周期是4个脉冲周期，CPU时钟频率24MHz。他集成了USB总线的串行接口引擎(SIE)，支持全速标准，且支持有弹性的固件存储。结构框图如图6所示。

他与8051兼容，芯片结构和编程语言熟悉，Cypress公司提供详细的硬件文档与范例固件代码，还可以通过USB从主机下载固件，便于调试。综上所述，以他作为采集系统的控制和数据传送的芯片。电路框图如图7所示。由于扩展外部存储器，应当选用有地址和数据总线的EZ-USB芯片，例如AN-2131Q。SRAM是16b的数据总线，而单片机的数据总线是8b的，因此读出数据时需要加总线转换开关。

在条件恶劣的现场数据传输极容易受到电磁干扰，必须进行隔离，因此本系统采用光纤传输数据。USB接口虽然传输速度快，但是传输距离有限，通常不超过5m，这在工业现场是远远不够的。这样不仅能进行光电隔离，还能补偿传输距离的不足，增大系统的传输距离。Agilent公司的HFBR-0400系列是一种低价、高性能的光接插件，广泛用于光纤模拟通信和数字通信。通常，HFBR2416组成的光接收器和HFBRl414组成的光发射器配套使用，构成完整的光通信收发系统。他们的应用电路简单，性能良好。发射采用与非门驱动芯片，接收采用一个自动增益控制限幅放大器和一个逻辑电平比较器，若有必要可以加入滤波电路，以及金属封装形式。
4 基子EZ-USB的数据传输
EZ-USB的芯片是有弹性的，他的固件可以由主机下载。当设备上电之后，通过枚举驱动设备，建立连接，开始准备采集。当采集开始时，单片机将释放数据总线与地址总线的控制权，由循环产生地址，直到采集结束。结束后，等待上位机命令传送数据，8051只需将数据写入缓冲区，由SIE进行负责串行数据的编码译码、数据纠错、位拥塞处理和其与USB数据收发有关的信号处理，并最终完成和USB接口。传送数据流程如图8所示。

5 结 语
本文中的数据采集系统采用了CPLD控制信号触发逻辑和数据存储，实现了20Mb／s的高速采样。以USB接口传输数据，光纤作为传输媒介，高可靠性、高速度的实现了512kXl6b的数据传输。