基于USB接口的高速信号采集系统设计

汪润 ,李煜乾 ,武鹏飞 ,董帅良 ,王乾

北方自动控制技术研究所  030006

摘要:随着科技发展水平的提升，很多地区已经基于USB接口设计了高速信号采集系统，能够有效提升数据传输效率。因此相关单位应该注重提升高速信号采集系统的设计力度，不断提升信号采集系统的应用效果，从而进一步提升信号采集速度。本文首先分析高速信号采集系统硬件设计方式，其次探讨系统软件部分设计方式，以期对相关研究产生一定的参考价值。

关键词：USB接口；高速信号采集系统；设计

1高速信号采集系统硬件设计方式

在高速信号采集系统运行时，应该先开启与待采集信号处于对应关系的开关控制信号，然后将信号送入到电路调理模块之中，分别开展滤波处理、去噪处理等，在妥善处理好信号以后，需要将信号转送到A/D转换器中完成模数转换工作，然后借助FPGA使FX3信号传输模块、采集模块能够顺利完成数据传输，使用FX3信号传输模块从存储模块中的数据中完成提取采集工作，并将其传输到USB3.0 接口处，方可完成数据采集、数据传输工作。

在设计高速信号采集系统硬件部分的时候，应该先借助USB接口将数据采集传输系统和计算机连接在一起，在信号采集系统完成初始化驱动操作以后，设计人员应该借助I2C芯片、FX3芯片获得USB接口处的固件程序，在芯片寄存器已经完成初始化处理以后，应该妥善设计好外围电路运行情况，此时上位机可以直接识别出数据采集系统、数据传输系统。

高速信号采集系统主要包括硬件部分和软件部分，在开展前端设计工作的时候，需要使用信号调理模块、数据采集模块、控制模块，常使用的控制模块是FPGA，一般设计人员会将A/D转换器作为数据采集模块的核心部分，将USB视为高速数据传输模块的核心构成部分，为了使数据能够顺利完成A/D转换，设计人员应该在数据采集系统设计3个模拟开关，考虑到系统设计成本、FCB成品体积比较小的需求，设计人员可以在系统设计中使用多路复用开关，使用分时复用方式能够使A/D转换芯片实现共享目标，或是引进多路开关[1]。

由于ADG706芯片具有精度比较高、功耗损失比较小、准确性比较高的应用优势，可以将其应用在高速信号采集系统的设计中。在设计系统前端电路处理枪口的时候，应该将A3-A0状态传送到总线处，使模拟开关EN端转换为高电平以后，选择一个路模拟信号并对其实施滤波降噪处理、分压处理、跟随处理，然后实施离散采样处理工作。

在借助数据采集卡开展数据采集工作的时候，采集量主要集中在变化比较小的非电平量以及电平量，若是前期出现处理不当的问题，可能会对数据采集准确性产生不利影响，因此设计人员在设计数据采集模块的过程中增设可进行信号调理的电路群，对采集的数据信号分别开展放大处理、缓冲处理、滤波处理，在完成数据处理工作以后，数据采集工作基本完成，此时工作人员可以使用计算机还原采集的数据信息，为用户开展数据分析工作提供方便。采集好的数据信号需要在通过信号调理电路以后，先后历经稳压处理、滤波处理、降噪处理，有助于提升信号采集的准确性。

在设计高速信号采集系统的时候，模数转换器的选择属于关键内容，在选用A/D模数转换器的时候，应该充分考虑转换精度问题、采样速度、输入电压的限定范围等，在确定系统转换精度的时候，应该重点考虑系统被测信号范围、系统精度要求，为了切实满足高速信号采集系统的使用要求，工作人员应该选用具备并行接口的A/D 芯片。由于芯片内部存在信号调理电路，设计人员应当在数据输入端集成应用一个滤波器，配置电压跟随电路，确保采样信号可以顺利完成高频干扰过滤处理目标。

再加上USB接口电源电压具备一定供电能力，因此工作人员在开展硬件部分设计的时候，需要使用USB接口实施供电，供电接口电压是5伏，难以切实满足各种模块的电压供给要求，因此设计人员在选择系统电源的时候，应该着重考虑系统内部模块电压需求量、芯片过压保护问题、高压干扰问题，可以在设计信号采集电路硬件部分的时候，外接一个15伏的电源电压，为系统调理电路提供电力资源[2]。

2系统软件部分设计方式

在设计高速信号采集传输系统软件部分的时候，主要包括三个部分，分别是FPGA驱动程序、FX3固件程序以及AD控制模块程序，在设计FPGA结构逻辑的时候，应该划分多个模块，并使用HDL编程展开处理，将软件部分功能连接在一起。在设计高速信号采集系统软件部分的时候，需要分别完善好USB接口控制器设计工作、数据控制器设计工作、PLL设计工作、A/D控制模块设计工作。在设计A/D 控制的时候，主要是借助A/D芯片的管脚功能实施时钟控制，时钟控制频率是50兆赫。

在设计A/D采集模块的时候，应先对A/D芯片实施初始化处理，然后开启A/D转换的CS信号、RD信号、CVA/CVB信号，然后将控制信号中的CVA/CVB信号放置在低电平位置一段时间，再将其置于高电平环境中，在完成转换工作以后，芯片会自行转换为高电平。 在设计第二个通道信号数据采集方式的时候，应该在低电平状态下读取信号，在第二个通道的数字量顺利转换到AD数据信号线 的时候，可以将引脚数据读取回FPGA中，在完成通道数据采集流程设计后，其余通道数据也是依照该流程实施数据采集。

在开发设计USB接口控制程序的时候，应该固化处理USB设备的初始化工作、电源管理工作、USB协议实现。正常情况下，固化程序一般会设计在高速信号采集系统的外扩ROM之中、芯片内部，或是将其设计在EEPROM之中。在完成软件部分配置以后，让芯片顺利通电，即可以接收到上位机发射的指令，顺利完成数据高速采集目标、数据传输目标。在FX3固化程序的协助下，设计人员可以顺利完成高速信号采集系统的初始化参数设计工作、线程启动工作、外部设备接口配置工作、DMA引擎配置工作[3]。

结论：综上所述，在设计高速信号采集系统的时候，应该分别从硬件部分、软件部分展开设计工作，通过综合运用USB3.0协议和FPGA协议，能够使高速信号采集系统实现高速度、高精准度的多通道数据采集目标、多通道数据传输目标，从而全面提升基于USB接口高速信号采集系统的设计效果。

参考文献：

[1]丁传勇,刘婧,翁铁,张燕.基于USB接口的高速信号采集系统设计[J].数码世界,2019(03):38.

[2]席赫岐.基于USB接口的高速信号采集系统设计[J].信息系统工程,2016(12):106-107.

[3]阙滨城. 基于USB接口的高速信号采集系统设计[D].电子科技大学,2011.