本文重點分析的下位機即智能A/D，是虛擬儀器硬件設(shè)備中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。下位機通過特定接口接受來自上位機的指令并向上位機提供自身所處的狀態(tài)：在收到采集指令后，對傳感器發(fā)送的模擬電信號進行A/D采樣以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號通過USB接口傳給上位機。

　　本系統(tǒng)的下位機支持2個通道的傳感器信號進行A/D轉(zhuǎn)換，其采樣效率為120MHz，采樣轉(zhuǎn)換為8位，系統(tǒng)采用了一個內(nèi)含先進先出(FIFO)內(nèi)存的USB2.0控制芯片，該內(nèi)存用于存放A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，使用FIFO可以有效地緩沖采集數(shù)據(jù)，減少頻繁的指令傳送，使上位機有更多的時間進行其他處理，并且不容易丟失數(shù)據(jù)。該下位機可以編程控制采集頻率和采樣增益，具有較大的靈活性。

基于USB2.0的高速

數(shù)據(jù)采集卡

硬件系統(tǒng)

　　虛擬儀器硬件的部分是USB設(shè)備接口模塊，其功能是由硬件和軟件共同來完成的。USB接口示意圖如圖2所示。下面介紹一下主要功能模塊器件的選擇和功用。

ADC的選擇

　　本設(shè)計中選用了AD9059。該器件是8位單片雙通道ADC，具有高速、高性能、低功耗及易使用等特性，60MSPS的編碼速率和120MHz的功率模擬帶寬使其在多路數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中表現(xiàn)出的動態(tài)性能。大部分情況下，AD9059僅需要一個單極性的5V電源和一個編碼時鐘即能正常工作。編碼時鐘提供與TTL/CMOS兼容的邏輯數(shù)據(jù)輸出，并控制兩個A/D轉(zhuǎn)換通道同時對數(shù)據(jù)進行采樣。如長時間不需要采集數(shù)據(jù)，可啟動休眠模式使總功耗小于12mW。ADC的時鐘及控制信號等由CPLD提供。

CPLD的選擇

　　在高速數(shù)據(jù)采集卡中，時序復(fù)雜而且精細，可能會因為一個門的時延，而導(dǎo)致整個硬件電路的失敗。所以在本設(shè)計中采用了CPLD來實現(xiàn)電路的數(shù)字控制功能。

　　CPLD主要任務(wù)是負責(zé)在EZ-USB FX2(即CY7C68013)處于Slave FIFO模式時實現(xiàn)讀/寫控制信號、時鐘、輸出使能、端點的選擇以及對放大器和ADC的控制等功能。?

　　基于CPLD容易開發(fā)升級的優(yōu)點，在本設(shè)計中，所有的數(shù)字電路部分，全部是在CPLD內(nèi)實現(xiàn)的，本設(shè)計采用了Lattice公司的ISP1032芯片，所用的EDA軟件是Lattice公司的ispEXPERT系統(tǒng)，編程語言為ABEL語言。

　　經(jīng)過在實踐中檢驗，在高速數(shù)據(jù)采集卡中，用ISP1032來實現(xiàn)數(shù)字邏輯電路功能，可以使高速數(shù)據(jù)采集卡工作穩(wěn)定，各方面性能良好。

信號調(diào)理模塊

　　在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中, 現(xiàn)場輸入信號是高頻的模擬信號，信號變化的范圍都比較大,如果采用單一的增益放大,那么放大以后的信號幅值有可能超過A/D轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號的變化相應(yīng)地調(diào)整放大器的增益。在自動化程度較高的系統(tǒng)中,希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益，經(jīng)過考慮本文選擇具有增益可編程功能的芯片—AD8321。該芯片具有頻帶寬、噪聲低、增益可編程且易于與單片機進行串行通信等優(yōu)點，十分適合在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做前置放大。程控放大模塊的的控制字可在labview設(shè)定，再經(jīng)過USB接口由EZ-USB FX2傳給AD8321。

USB控制器

　　數(shù)據(jù)采集接口卡是硬件部分的，選擇合適的能適用于USB協(xié)議的芯片是關(guān)鍵。EZ-USB FX2(即CY7C68013)是世界上首批USB2.0集成微控制器。其內(nèi)部集成了USB2.0的收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、增強的8051微控制器和一個可編程的串行接口。

　　在外設(shè)未通過USB接口接到PC機之前，外設(shè)上的固件存儲在PC上；一旦外設(shè)連接到PC機上，PC先確認外設(shè)身份(即讀設(shè)備描述符)，然后將該外設(shè)的固件到芯片的RAM中，這樣在開發(fā)過程中當固件需要修改時，可以在PC機上修改好后，到芯片中。

固件開發(fā)

　　設(shè)備固件是設(shè)備運行的，它控制整個硬件系統(tǒng)的運行，并負責(zé)處理PC機發(fā)來的各種USB請求，以完成它們之間的數(shù)據(jù)傳輸。其主要功能包括控制放大模塊，實現(xiàn)通道選擇；控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集；通過FX2實時上傳采集數(shù)據(jù)給PC；控制FX2芯片接收并處理USB設(shè)備驅(qū)動程序的請求(如設(shè)置USB接口狀態(tài)等多種USB協(xié)議標準請求)等。

　　由于固件的開發(fā)流程比較復(fù)雜，故本設(shè)計中采用C語言進行開發(fā)，這樣比較容易實現(xiàn)模塊化和分層結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計。

　　EZ-USB FX2固件庫為用戶提供了底層Keil C函數(shù)庫。EZ-USB FX2軟件開發(fā)包提供了該庫的目標文件，同時還提供了該函數(shù)庫的源代碼，用戶可以利用Keil C來重新編寫該函數(shù)庫。

　　EZ-USB FX2固件是使用EZ-USB FX2程序框架或直接使用EZ-USB FX2固件庫開發(fā)的程序，這是開發(fā)USB外設(shè)的重要部分。EZ-USB FX2在其固件程序中把自己定義為USB大存儲類、塊傳輸子類，操作系統(tǒng)中(Win98以上)有相應(yīng)的USB類設(shè)備驅(qū)動程序來支持這種USB類外設(shè)。在FX2的固件程序中寫入USB通信模塊，就可以實現(xiàn)主機和USB設(shè)備的通信。

　　固件程序必須包括DSCR.A51(A51宏匯編器)、USBJmpTb.OBJ(目標文件轉(zhuǎn)換器)和Ezusb.lib(Ezusb C編譯器庫文件和啟動代碼)。在固件程序框架中，定義了基本的USB設(shè)備的功能，一般不許修改。本設(shè)計要實現(xiàn)的具體功能則在應(yīng)用層中的固件程序中完成。

應(yīng)用程序開發(fā)

　　根據(jù)實際要求，本系統(tǒng)需要通過軟件固件程序，以及對ADC、放大模塊、采集模塊進行控制，同時還要接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)。在采集開始前，可以先將命令發(fā)送出去，實現(xiàn)在固件程序中定義的相應(yīng)功能，如通過EZ-USB FX2口線控制前置放大模塊等。然后可以讀取傳送到主機的數(shù)據(jù)，或者向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)等。

　　Visual C++作為一種面向?qū)ο蟮募砷_發(fā)軟件，它突出的特性就是封裝性、繼承性和多態(tài)性。所以，我們選用Visual C++來設(shè)計應(yīng)用程序。

　　將用Visual C++編寫好的USB應(yīng)用程序封裝成DLL，即可在用Labview編寫的虛擬儀器上層應(yīng)用程序中直接調(diào)用。

結(jié)語