一种多接口多通道的同步数据采集卡的设计与实现

方案有很多，针对系统的要求，这里的ADC选用Analog Device公司的AD9288，采用两片ADC芯片组成了四通道的数据采集卡，使用两片ADC对四路数据信号的同时采集。与多路复用方案采集数据相比较，这样可以避免信号串扰的问题。FPGA选用Altera公司的Cyclone III系列的EP3C16Q240C8N，在FPGA中的数据经过预处理通过CY7C68013再通过USB与上位机软件通信。上位机根据数据采集卡工作状态做出响应[2]。而当采用PXI接口时，考虑到输出信号的电压不能满足PXI总线要求，采用QS3861电平转换模块将3.3 V的电压提升至5 V再传输到PXI接口。FPGA与USB控制器和ADC的电路图如图2所示。ADC的数字输出DA0—DA7，DB0—DB7，16路数字信号与FPGA上的I/O口连接，该系统共使用了两个AD9288芯片，共需要占用FPGA的32个I/O资源。

一个系统的正常、稳定工作，离不开一个稳定、可靠的电源转换模块，这个电源电路有很多方案，且都已经比较成熟，在本文中不再详细阐述。系统内部的工作电压有±5 V，3.3 V，2.5 V，1.2 V，在外部需要提供-12 V和+5 V的电源电压即可。

2信号处理模块

系统中使用的ADC芯片为AD9288，该芯片精度为8位，具有双通道，最高采样率能达到100 MS/s，内置片内采样保持电路，在整个工作范围内都具有出色的动态性能，每个通道均可以独立工作[3]。考虑到高频模拟信号在高速数据采集卡中容易受到信号干扰，为了避免这种干扰，系统内部采用了差分信号传输，这就需要在模拟信号进入ADC之前对单端信号进行差分变化，所以在ADC电路前增加一个差分放大电路。单端模拟信号输入ADC驱动器，转换成差分信号进入ADC，输出8路数字信号进入FPGA处理。差分信号，当受到干扰时，差分的两线会同时受影响，但是电压差变化不大，这样就具有比单端信号更好的抗干扰性[4]。但是首先需要考虑的是不能引入噪声信号，这里采用的方案是选用AD公司的AD8138芯片。AD8138与ADC的连接示意图如图3所示。

AD9288芯片的编码时钟对信号转换影响很大，如果时钟不稳定，抖动过高，采样的精度就不高[5]。每一个通道的编码时钟由板子上的20 MHz有源晶振经过FPGA锁相环5倍频稳定后提供，AD9288在编码时钟的控制下进行工作。参考电压使用内部精准的1.2V电压。ADC外围电路如图4所示。

3USB传输的实现

USB传输部分主要由FPGA和USB控制器CY7C68013实现，控制器CY7C68013内部集成了一个8051、USB串行接口引擎、数据发送接收器。在I/O口方面，有3个8位的I/O口，内部有85 KiB的RAM以及4 KiB的FIFO，控制器工作在从属

FIFO模式，I2C总线上连接一片EEPROM 芯片（24LC64）。CY7C68013A的固件程序由EEPROM烧写器烧写到24LC64中，上电后自动加载到内部RAM中[6]。其内部框图如图5所示。

为解决USB高速传输中带宽的问题，FX2芯片在传输数据利用4 KiB的FIFO。通过full和empty两个信号来完成内部传输控制。当full时不能再进行写数据操作，当empty时不能再对FIFO进

行读的操作，数据传输过程如图6所示。在数据传输的过程，应用了内部的4 KiB的FIFO，分成EP0IN&OUT、EP1IN、EP1OUT、EP2、EP4、EP6和EP8这7个端點。当执行OUT传输时，会将EP2端点设成512 B四重FIFO。USB端如果存在一个FIFO为“半满”状态，就能再次发送数据。当操作的FIFO写“满”时，FX2就会将它转到外部的接口端，等待读操作；并将队列中下一个为“空”的FIFO转移到USB接口上，以便继续执行写数据操作[7]。外部接口端与这基本相似。

在本设计中通过Verilog硬件编程语言，采用了Slave FIFO从机方式来实现FPGA对芯片的控制。Salave FIFO从机方式就是FX的CPU不进行USB的数据处理，而是把FX作为USB和FPGA之间的通道。

4PXI接口传输实现

系统采用PXI接口，上位机必须通过PXI总线获取每一个通道的采集数据，实时更新并显示采集数据波形，并实时存储采集波形数据，大体思路和USB传输相同，系统工作流程图如图7所示。

5PCB板设计

本设计中数据采集卡PCB板共有四层，其中有2个表面的信号层，板子中间1个地层和1个电源层。为了有效的控制信号的串扰问题，在信号层的设计中，有一个完整的地平面作为参考面，这样的叠层结构设计也使得信号走线有很好的电流回流路径，控制电磁兼容问题和信号线的阻抗。差分信号在传输过程中，很容易因为走线问题而造成相位差，为了避免相位差的问题，在设计中，差分线的两根信号线严格等长，公差不超过±0.13 mm。另一方面为了降低信号因走线造成的损耗，严格控制了差分线的走线长度[8]。实验结果表明这样的设计能保障差分信号传输的质量可以满足信号的传输要求。制作的PCB板如图8所示。

6上位机软件实现

上位机软件使用LabVIEW制作，在LabVIEW中有整套的USB数据接口的套件，其采用图形化的设计语言，容易上手，并且还能大大缩短设计周期。

本设计中LabVIEW设计主要用到VISA配置函数、VISA读取函数、VISA关闭串口节点及循环条件等程序结构。上位机串口接收数据程序流程图如图9所示。在该系统中串口采用被动接收方式接收数据，为正确接收数据，在通信中使用数据帧的方式[9]。串口通讯的波特率、数据位数、校验方式、停止位等参数在LabVIEW软件中通过串口配置节点来设置。参数设置好后，利用读串口节点读取串口缓冲区的数据，程序中设置每次从串口读取1个字节的数据，当程序判断该字节是有效的数据时，即开始数据有效的读取、存取、计算处理。整个程序结束时，利用关闭串口节点函数将占用的串口资源释放掉。

7数据采集

本设计的数据采集卡经过实际设计制作，焊接好元器件。使用稳压电源、示波器、信号源等专业设备对数据采集卡進行调试，实现了数据的采集。

在使用信号源给采集卡输入f=10 Hz，Vpp=480 mV的正弦波信号，虚拟示波器显示的波形如图10所示。

在给数据采集卡输入f=20 MHz，Vpp=200 mV的三角波信号时，在虚拟示波器上显示的波形如图11所示。

通过分析输入波形信号与虚拟示波器采集的波形，发现数据采集卡采集到的波形平顺、稳定，虚拟示波器上显示的波形峰峰值以及周期与输入信号一致。

8结语

本设计的采集卡实现了对多通道的实时数据采集，且虚拟示波器，可以正确地显示出各通道采集数据的实时波形。本系统具有成本低，操作简单，界面友好，功能丰富，可移植性强，可扩展性强等特点。在实现以上功能的基础上，相信该数据采集卡在实际使用中仍然具有改进的空间，可以对该平台进一步扩展，降低成本，提高系统硬件性能，提高稳定性，完善用户界面，增加数据处理功能，远程控制等方面，使平台更加实用方便。

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（责任编辑：周晓南）

Design and Application of a Multi Interface Multi Channel

Synchronization Data Acquisition Board

ZHENG Chenxi， WU Cinan*， JIANG Xiaofei

（College of Big Data & Information Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025，China）

Abstract：

This paper puts forward a way of implementation of multi￣channel data acquisition card （DAQ card） using FPGA as control core， USB and PXI as data transmission interfaces and has successfully fabricated this novel DAQ card， enabling the data acquisition on account of the singleness， poor versatility and low sampling rate of interfaces of the current DAQ card and in view of the instantaneity and high￣speed transmission of data acquisition system. This realizing of data acquisition system is analyzed from the following several aspects： overall design， signal processing， hardware interface， virtual oscilloscope software， etc.

Key words：

data acquisition； FPGA； multiinterface； virtualoscilloscope； design

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