基于USB2.0的多路高精度数据采集系统的研制

摘要

本文以基于USB2.0接口和大规模FPGA实现的高精度多路数据采集系统研制为主要内容，论述了利用高精度模数转换芯片ADS8322、Xilinx公司SpartanⅡ系列FPGA芯片XC2S200E-PQ208、Cypress公司的EZ—USB FX2系列的CY7C68013等芯片组成的一套数据采集系统的设计方案、开发技术和开发过程。全文共分五章。 第一章讨论了当前实时数据采集系统面临的问题和USB总线突出的优点，简要介绍了系统框图和本设计的主要工作和论文的主要内容。 第二章给出了本设计基于USB的数据采集控制系统的主要指标和特点。根据要设计的系统的要求，给出了硬件电路框图，通过比较，选取了uSB通信接口芯片和A/D芯片，并对Cypress公司的EZ-USB芯片和TI公司的ADS8322作了简单介绍。简要介绍了大规模FPGA方案的选择及选用的FPGA开发板。系统分成硬件设计和软件设计。 第三章详细介绍了系统硬件的设计，硬件的设计包括信号模数转换接口电路设计、数据采集与传输控制电路设计和USB接口硬件电路设计三大部分。在模数转换接口电路部分，论述了八路模拟信号在送A/D转换器之前先进行信号调理(即信号放大及低通滤波)，再经数据选择器选出其中一路进行模数变换的过程的工作原理，给出了各个部分的具体设计电路及性能分析，最后论述了PCB布线时干扰抑制的原则和措施。在数据采集与传输控制电路设计部分，给出了该模块的内部结构设计详图，接着详细论述了FPGA内部各个功能电路的设计思路和具体实现过程。最后给出了USB接口硬件的详细电路图。 第四章详细介绍了软件的设计，该软件包括固件程序、驱动程序和应用程序三大部分，详细论述了固件程序的开发过程和本设计中的固件程序代码，然后详细介绍了本设计固件程序的设计思路。在应用程序部分，提出了在计算机上基于：Matlab的应用程序设计方法。本设计是在Windows 2000下，使用VC++6.0编写Matlab Simulink的S-函数(S-function)来实现和USB接口的通信。这是本论文设计的新颖之处。 第五章在采集模块测试部分给出了采集模块的用户界面和采集数据的波形，从中可以看出，开发的数据采集模块经过实际的采集测试，完全满足技术要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1选题背景和研究现状

1.2课题的主要研究工作

1.3论文的主要内容

第二章数据采集系统方案设计

2.1总体框图

2.2 USB接口芯片简介

2.2.1 USB2.0芯片的选择

2.2.2 EZ-USB FX2芯片简介

2.3A/D转换器芯片的选择

2.4大规模FPGA方案的选择

2.4.1选择XC2S200E-PQ208芯片

2.4.2 FPGA开发板介绍

第三章硬件设计

3.1模数转换电路设计

3.1.1 A/D转换器的电路设计

3.1.2 A/D转换的启动和数据读取时序

3.1.3 ADS8322的外围电路及电路分析

3.1.4 ADC的误差分析

3.1.5低通滤波器

3.1.6 THS4052的性能指标

3.1.7高速CMOS八选一模拟开关

3.1.8模数转换电路的干扰抑制

3.2数据采集与传输控制电路设计

3.2.1 FPGA内部工作原理

3.2.2 FPGA内ADC接口模块设计

3.2.3 FPGA内USB接口模块设计

3.3 USB接口硬件电路设计

第四章软件设计

4.1USB固件设计

4.1.1固件程序的框架结构

4.1.2固件程序架构的建立

4.1.3固件架构的子函数钩子

4.1.4设备描述表

4.1.5本设计固件程序中寄存器的设置

4.1.6固件的调试及下载

4.2 USB驱动程序

4.3应用程序设计

4.3.1设计方案的选择

4.3.2 Matlab Simulink简介

4.3.3 Matlab的S函数

4.3.4 S函数工作流程

4.3.5主程序

4.3.6 MEX文件

4.3.7系统调试及测试结果

第五章结论和下一步工作

致谢

参考文献

作者攻硕期间取得的成果