基于虚拟仪器技术和高速USB 2.0接口的智能数据采集卡的设计

1 引言

数据采集是现代电子系统中不可缺少的重要组成部分，在测量、制造、自动控制等场合都需要高质量的信号采集环节，由于ADC技术和微控制器技术的相对成熟，基于PCI，ISA等接口的数据采集卡被广泛地应用在众多科研和工控领域。在测试技术日益变革的今天，测试任务更加复杂多变，需要采集和处理的信息量更加冗长，同时要求测试环节与计算机的接口更加无缝化和标准化，基于虚拟仪器技术（Virtual Instruments）和高速USB 2.0接口的数据采集有着更为广泛的应用前景和市场，是当前测试技术研究的热点之一。

以运算速度更快，位数更宽，资源更为丰富的ARM 处理器作为控制核心，配合USB 2.0数据传输和灵活的上位机软件，新一代的数据采集卡已经不再局限于单一的板卡形式，可以通过连接线独立于计算机之外，根据测试任务的需求，满足高精度、高速率、多功能的测试指标。同时由于采用了高性能的ARM处理器，控制程序容量加大，方便实现数据采集的独立化、智能化、多样化，摆脱数据采集系统对上位机运算能力的依赖，从而开发出全新的智能数据采集卡。

2 系统原理及框图

整个系统的组成框图如图1 所示。被测电压信号经过前置调理送到AD7685进行采样，由Atmega48的SPI驱动AD7685，采集到的双字节（16 b）数据由 Atmega48并口，分两次传送给ARM ADuC7026核心。当数据采集卡工作于联机状态时，由PC上位机软件设置采样频率和通道工作模式，经过处理通过USB控制芯片CH375送数据到PC端；当数据采集卡工作于离线模式时，无需PC上位机干预，数据采集卡按照预先设定的采样频率和工作模式进行采样。并将采样数据通过USB控制芯片CH375送数据到U盘端。系统采用±9 V，+5 V，+3.3 V以及模拟地数字地，并由DC／DC模块产生，经过良好的LC滤波为各个电路单元提供电力。人机接口（HMI）采用简洁的双按键和LED指示，对整个数据采集卡工作模式的选择和运行状态进行控制。

3 数据采集卡的硬件实现

3.1 ADC接口和信号调理电路

为了满足较高的采集精度和采样速率，该设计选择AD7685作为模拟／数字转换器件。AD7685是一款16位、串行输出、250 KSPS、电荷再分配、逐次逼近型 （PulSAR）ADC。ADC与处理器采用串行外围设备接口（SPI）接口进行连接，为了保证ADC的精度，采用高速光耦6N137隔离式驱动电路来隔离处理器SPI总线上的串扰。

前置调理电路信号的流向参见图1系统组成框图。设计中，采用模拟开关ADG1024对输入信号进行切换，并通过可编程增益放大器（PGA）AD8251进行处理，通过增益为0.2的电平转换16位ADC驱动器 AD8275，把±5 V的信号转换成0.25～2.25 V的信号，极大地扩展了该数据采集卡的测量范围，而简化了前置调理电路的设计，其电压计算公式如下：

经过前置调理电路使得不同量程范围的输入信号放大或衰减到0.25～2.5 V内，最大限度地利用ADC量程，使得采集系统的4个输入通道可以有单通道、双通道、四通道3种工作模式，且每个通道皆可以设置为任意量程。前置通道的相应配置由处理器ADuC7026完成，其配置遵循表1。

3.2 EMC措施

该设计采用外置9 V开关型稳压电源或USB端口供电，由于开关电源的低成本和高功率密度，普遍被现代电子系统设计所采用，但其带来的电磁干扰（EMI）问题也不容忽视。同时，ARM7主频高达45 MHz，必须考虑其EMI问题。该设计尽量选取低噪声的放大器和ADC，遵循最短路径的布线原则，确保前置通道具有较低的噪声水平。设计中，采用数字地／模拟地分区覆铜，并一点接地的布线方式，避免电源和数字部分对模拟地电位产生浮动和干扰。同时，采集卡外壳贴装铝箔纸，以防止外界电磁辐射影响内部电路的工作。

3.3 USB接口

该设计使用USB控制芯片CH375，内置海量存储固件，既可以作为USB设备方式向PC上位机传送数据，又可以作为USB主机，将数据存入U盘中。该芯片支持USB 2.0通信协议，在并口工作模式下能同时支持主机方式和设备方式。为了保证USB高速传输数据的稳定性和完整性，采取如下措施：

（1）采用USB屏蔽线作为连接线，保证数据传输不受外界电磁干扰。

（2）保证计算机USB端口的地线与USB控制芯片CH375的地线严格等电位。

3.4 ARM系统的构建

ADuC7026是基于ARM7TDMI 内核的精密控制器，具有62 KB FLASH，8 KB RAM和4个通用定时器，内部集成UART，I2C，SPI，DAC，PWM，JTAG端口、 PLA等众多硬件资源，40个通用I／O引脚。CPU时钟高达45 MHz，采用80脚LQFP封装。在该设计中，搭建了一个包括供电电路、时钟电路、复位电路、JTAG程序下载调试接口等电路的完整ARM7应用系统。实际上由于实测ADuC7026的外部I／O取反速度只有4 MHz，因此在SPI设计中，该设计加入Atmega48单片机作为中转，保证了控制核心在处理USB通信、U盘读／写等大量信息时对采样的准确触发。

4 程序设计

4.1 ARM端程序编写

ARM下位机软件完成的主要功能有3个进程，分别为 Wait，Online，Offline。当数据采集卡上电复位后，首先执行Wait进程，该进程等待按键操作，更改系统工作模式，配合的子程序还有相应初始化程序、按键防抖程序等。当Wait进程结束时，系统转入联机模式（Online）或离线模式（Offline）。联机模式按照用户设置进行采样，将数据存入CH375缓冲，CH375负责将数据传送给上位PC机，其程序流程如图2所示。离线模式则利用CH375海量存储固件，将数据存入U盘。为保证采集的实时性，控制器将数据存放在U盘扇区中，而不是以文件的形式读／写，避免创建文件时复杂时序的延误，其程序流程图如图3所示。

4.2 PC端编程

该数据采集卡的上位机应用程序由动态链接库DLL和客户端程序2个部分组成。其中，DLL负责与内核态的USB功能驱动程序通信，并接收应用程序的各种操作请求；客户端程序负责对数据进行分析处理。采用VC++编写，遵循了工程通用的输入／输出界面，可以完成普通数据采集卡的在线采集功能，同时也可以将数据采集卡存储在U盘中的采集数据，通过物理扇区寻址来读取相应的采集数据。

5 测试与结论

通过该数据采集卡挂载U盘，对5 kHz正弦单通道信号进行采集，将U盘数据导入上位机，以获得如图4所示的波形，它良好地复现了现场波形信号。

6 结 语

由于采用了支持海量存储技术的多模式USB总线控制芯片CH375和高速低功耗的ARM7控制器，使得该数据采集卡具有一定的智能采集能力，摆脱上位机连接限制而独立工作，采集到的数据存储到U盘中。符合新型数据采集系统小型化、移动化、智能化的发展趋势，广泛适用于工业现场和户外作业等应用场合，有很高的实用价值和推广意义。

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