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1、毕业论文(设计)题目名称： USB数据采集卡 题目类型： 毕 业 设 计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业
2、设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目录长江大学毕业设计（论文）任务书I毕业设计开题报告III长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见VIII长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语IX长江大学毕业论文(设计)答辩会议记录X中外文摘要XI1 前言11.1 目的11.2 意义11.3 范围12 选题背景32.1 课题来源、目的和意义32.2 课题研究内容和关键技术32.3 国内外研究现状与发展趋势43
3、 方案论证63.1 系统工作原理63.2 系统原理图63.3 系统设计基本思想63.4 系统总体设计方案论证73.5 USB芯片的选择与论证83.6 USB主控制芯片的方案论证94 过程论述114.1 系统硬件总体设计114.1.1 系统分析114.1.2 系统技术指标124.2 采集电路设计124.2.1 芯片选择124.2.2 数模转换电路设计144.3 USB接口电路设计154.3.1 芯片选择及芯片介绍154.3.2 芯片接口模式端点缓冲配置164.3.3 电路设计174.4 FPGA电路设计194.4.1 FPGA下载电路194.4.2 时钟电路204.5 系统电源及复位电路设计21
4、4.6 抗干扰和PCB制作234.7 固件设计245 结果分析与展望275.1 系统硬件调试275.1.1 硬件静态调试275.1.2 硬件动态测试275.1.3 USB数据传输电路调试285.1.4 前端数据采集电路调试285.2 系统软件调试295.2.1 USB固件程序调试295.2.2 FPGA逻辑调试305.2.3 应用程序调试305.3 系统整体测试305.4 总结305.5 展望31参考文献33致谢35附录36长江大学毕业设计（论文）任务书学 院（系）电子信息学院 专业 仪器系 班级：仪器10702学生姓名 彭璐 指导老师/职称 魏勇（讲师）1毕业设计（论文）题目USB数据采集卡
5、的设计2毕业设计（论文）起止时间：2011年02月21日-2011年6月10日3毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导老师选定部分）（1）网站上查找USB数据采集卡方面的资料（2）网站上了解CY68013的有关资料4毕业设计（论文）应完成的主要内容1、利用PROTEL DXP软件设计USB数据采集卡的PCB板（重点）。2、毕业论文上必须包含如下内容：中英文摘要、研制目的及意义、方案选择、基本原理介绍、硬件电路图、硬件电路分析、软件流程图、软件原理介绍、性能分析、结束语、源程序清单。5毕业设计（论文）的目标及具体要求 设计目标：利用PROTEL DXP软件设计USB数据采集卡的PCB板，具体要
6、求如下：1、双层PCB板，双面敷铜，布线符合电气规范。2、该数据采集卡中的USB芯片不仅能够工作在USB主模式下，而且能够工作在从模式下。3、扩展部分：在设计完成PCB板的基础上，焊接并调试好电路板。该部分可分为：单片机程序设计、计算机驱动程序设计、计算机应用程序设计等多方面的工作。6毕业设计（论文）所需的条件及上机时数所需的条件：微型计算机一台 USB单片机开发板一套 有关电子元器件 万能板及少量导线上机时数：（2小时）*（60天）=120小时任务书批准日期2011年01月13日教研室（系）主任（签字） 任务书下达日期2011年01月13日指导老师（签字） 完成任务日期2010年6月10日学
7、生（签字） 长江大学毕业设计开题报告题 目 名 称 USB数据采集卡 院 （系） 电子信息学院 专 业 班 级 测控技术与仪器10702班 学 生 姓 名 彭 璐 指 导 教 师 魏 勇 辅 导 教 师 魏 勇 开题报告日期 2011年03月19日 USB数据采集卡 学生：彭璐 仪器10702班指导老师：魏勇 电子信息学院 一 题目来源科研项目二 研究目的及意义随着数字化的广泛应用，数据采集也越来越重要，传统的外设与主机的通信口一般采用ISA、PCI、C PCI、1394等标准，基于这些接口的产品，安装麻烦，价格昂贵，并受计算机插槽数量、地址中断资源限制、且可扩展性差，USB的出现，很好地解决
8、了以上问题。USB作为一种新型的串口通信标准，具有较高的传输速率，可扩展性好，采用总线供电，使用灵活。它共有4种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，以适应不同设备的需要。信息技术与电子技术的迅猛发展，使得计算机和外围设备也得到飞速发展和应用。过去人们单纯最求计算机与外设之间的传输速度，现在纠错能力和操作安装的简易性也成为人们关注的目标。USB通讯技术的出现，使得高传输速度、纠错能力、易扩展性、方便的即插即用，有机结合在一起。USB设备需要依据USB协议进行数据的解包与打包，低层硬件设备与操作系统之间需要以驱动程序为桥梁，驱动程序以WDW为模型，以DDK为开放工具，以IRP为消息传
9、播载体，来实现与Windows系统底层核心相交互的功能。三 阅读的主要参考文献及资料名称1 张宏，USB接口设计M，西安：西安电子科技大学出版社，20022 汪惊奇，周功业等，基于USB接口的便携式数据采集系统的实现M，微型机与应用M，2002年第8期.3 马伟，计算机USB系统原理及其主/从机设计M.北京：航空航天大学出版社，2004.4 Cypress Semiconductor Corporation.CY7C68013 EZ-USB FX2 USB MicrocontrollerS. December 19,2002.四 国内外现状和发展趋势及研究主攻方向 (1) 高速随着科技的发展以
10、及CPU的进步，计算机处理数据的速度越来越快，作为数据出入途径的I/O接口一定不能成为瓶颈，所以计算机接口及数据总线的数据吞吐量增长飞速。这一点在计算机主板南北桥之间通信总线的更替就很明显地体现出来：先前的PCI总线只有133MB/s的数据传输率，而最近出现的8X V-link总线则达到533MB/s.(2) 串行通讯速率的提高使得并行接口和连接线不堪重负，并行信号的串扰成了提升速度的桎梏，接口的通信频率也不能无线提升，而串口提升信号传输频率的潜力却要大的多，于是形成一个很有趣的局面，就好像8条马路通过汽车还没有1条快。最近出现的串行ATA硬盘实际上就是一个预兆，如果并行的串扰不能得到有效解决
11、，将来高速数据传输的主流可能就会是串行通信了。(3) 通用，可扩展计算机功能越来越强大，外设也越来越多。串口，并口，IEEE 1394口，键盘口，鼠标口，让人眼花缭乱。接口的通用性和可扩展性成为一种趋势。这样可以使用户方便地使用多种外设又不至于被各种各样的接口搞的糊涂，还可以同时使用几个甚至十几个设备。五 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路(1) 主要研究内容 通过USB2.0协议将高速的数据采集和即插即用的特性有效的结合起来。(2)需重点研究的关键问题计算机处理的对象是数据，反映客观问题的还是数据。高性能的数据采集卡使计算机的功能变得更强大数据采集主要有两个方面的因素：(1) 高精
12、度这是数据采集系统最基本的要求，错误的或者误差过大的数据没有任何使用价值。但这个方面需要考虑的因素也最多，不但芯片的信噪比要高，对模拟电路的设计，PCB制版等也有很严格的要求，这是高速数据采集最困难的地方。(2) 高速度 科技越来越发达，时间的概念越来越小。也许你需要测量一个微粒的速度，也许你需要检测一个频率非常高的信号，你就一定需要一个速度足够高的采样器。1M的采样率不够吗？不，很可能你需要1G。(3)解决思路首先，实现USB2.0通讯协议接口，测试最高的数据传输率；其实实现高速AD采样电路，使其正常工作保证一定的精度。 六 毕业设计所具备的条件 微型计算机一台 USB单片机开发板一套 有关
13、电子器件 万能板及少量导线七 进度安排4周 6周、查找资料7周10周、熟悉系统及开发环境10周12周、熟悉硬件及焊接13周14周、程序设计15周16周、系统调试及完善17周18周、毕业设计及答辩八 指导教师审查意见指导教师签名： 年 月 日长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目指导教师职 称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩
14、。评审意见：指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分（注：此页不够，请转反面）长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分（注：此页不够，请转反面）长江大学毕业论文(设计)答辩会议记录学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组
15、成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)USB数据采集卡的设计学生：彭璐，电子信息学院（仪器系）指导教师：魏勇， 电子信息学院摘要 现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益增高，在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要通行高速数据采集，现在通用的高速数
16、据采集卡一般多是PCI卡或是ISA卡，存在以下缺点：安装麻烦、价格昂贵：受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差：在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。通用串行总线是1995年康柏、微软、IBM、DEC等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展的优点。于是笔者以数据采集卡的微控制器CYPRESS公司的CY7C68013的EZ-USB FX2控制芯片来设计高速的USB2.0数据采集卡。本论文介绍了一个采用 USB2.0 高速串行传输协议的高速数据采集系统，详细描述了数据传输部分和数字采样部分的设计过程、
17、参考电路及相关程序设计，并对该系统进行了综合测试。该系统的数据传输部分采用 EZ-USB FX2 芯片以块传输模式实现了12Mbps 的到主机的实际数据传输率，与模拟-数字采样部分的接口速率则达到 48bps。模拟-数字采样部分采用 AD9058 芯片。该系统还可以对采得的数据进行离散分布和连续波形的分析。关键字：USB2.0 通用串行总线 FX2 高速数据采集 Design of USB Data Acquisition CardStudent: Peng Lu, ObserVation and control technology and instrumentSuperVisor: Wei
18、 Yong, School of Electronic InformationAbstract With the demond of modern industrial production and scientific research on data acquisition is increasing, So is needed to access high-speed data acquisition in the transient signal measurement, image processing and some other high-speed, high precisio
19、n measurement, nowadays the uniVersal high-speed data acquisition card is a PCI card or ISA card, but these cards haVe seVeral disadVantage: hard to install, isnt economical: be restricted by the number of slot、the resources of the aVailable addresses and interruptions, poor expansibility: In some t
20、est sites along with strong electromagnetic interference, its impossible for us to do some special electromagnetic shielding for them whcih can result in collection of datat dostorion. UniVersal Serial Bus as a new communication standard which is raised by Comaq, Micorsoft, IBM, DEC and other compan
21、ies together to solVe the problems of the lack of the tradition bus. This bus interface has good adVantages at easily to install, high bandwidth, easy to extend. So I plan to use the CY7C68013s microcontroller chip EZ-USB FX2 which belongs to company of CPRESS to design this high-speed USB 2.0 Data
22、Acquisition Card. This paper describes a High Speed Data Acquisition System with USB2.0 high-speedserial data transfer protocol. It also introduces the design process of this system, including both hardware and software. At the end of this paper, there s a complete test of the whole system. This sys
23、tem selects EZ-USB FX2 chip, and realizes a 235Mbps data transfer rate between the host computer and FX2. What s more, it realizes a 768Mbps data transfer rate at the interface to Analog-Digital conVerter. The Analog-Digital sampling board can process a 8 bits, 48M rate digital sampling with AD9058
24、and support 24M analog bandwidth. This system can also analyze the discrete distribution or continuous waVeform of the data.Keywords USB2.0 UniVersal Serial Bus FX2 High Speed Data Acquisition1 前言1.1 目的（1）了解CY7C68013的基本原理及应用，熟悉其关键参数。（2）熟悉PROTEL DXP软件的开发环境，并利用其设计出USB数据采集卡的PCB板。1.2 意义 在工业生产与科学研究中，经常需要
25、通过计算机对一些模拟量进行采集、如温度、压力、深度、酸碱度等等。基于目前最长使用的采集方式是A/D数据采集卡。这种采集卡在前面已经介绍过其缺点很多同时也很致命。而传统的外设与主机的通讯接口一般是基于PCI总线、ISA总线或是RS-232C串行总线。PCI总线虽然具有较高的传输速度（132 Mbps）,并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限（一般为56个），ISA总线显然存在同样的问题，RS-232C串行总线虽然连接简单，但其传输速度慢（56 Kbps），且主机串口数也有限，这将会浪费我们宝贵的工作时间降低生产工作效率的同时还浪费劳动资源，而我们现在设计的基于EX-USB FX
26、2设计的数据采集卡可以从分利用USB总线上的优势（安装方便、高带宽、易扩展），有效的解决了传统数据采集系统的缺陷。同时它能够针对不同的使用人群提供性价比不一的不同选择，从而给用户带来极大的方便1.3 范围Virology HDL是目前应用最为广泛的硬件描述语言，为了制作数字电路而用来描述ASICs和FPGA的设计之用。它可以用来进行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。Virology HDL适合算法级，寄存器级，逻辑级，门级和版图级等各个层次的设计和描述。FPGA现场可编程门阵列是一种大规模可编程的数字集成电路。FPGA的基本特点主要有： 1）采用FPGA设
27、计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。2 选题背景2.1 课题来源、目的和意义不能课题来源于科研项目。目的与意义：随着数字化的广泛应用，数据采集也越来越重要，传统的外设与主机的通信口一般采用ISA、PCI、CPCI、1394等标准，基于这些接口的产品，安装麻烦，价格昂贵，并受计算机插槽数量、地址中断资源限制、且可扩展
28、性差，USB的出现，很好地解决了以上问题。USB作为一种新型的串口通信标准，具有较高的传输速率，可扩展性好，采用总线供电，使用灵活。它共有4种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，以适应不同设备的需要。信息技术与电子技术的迅猛发展，使得计算机和外围设备也得到飞速发展和应用。过去人们单纯最求计算机与外设之间的传输速度，现在纠错能力和操作安装的简易性也成为人们关注的目标。USB通讯技术的出现，使得高传输速度、纠错能力、易扩展性、方便的即插即用，有机结合在一起。USB设备需要依据USB协议进行数据的解包与打包，低层硬件设备与操作系统之间需要以驱动程序为桥梁，驱动程序以WDW为模型，以DD
29、K为开放工具，以IRP为消息传播载体，来实现与Windows系统底层核心相交互的功能。2.2 课题研究内容和关键技术课题研究内容:通过USB2.0协议将高速的数据采集卡和即插即用的特性有效的结合起来。 课题关键技术：计算机处理的对象是数据，反映客观问题的还是数据。高性能的数据采集卡使计算机的功能变得更加强大：(1)高精度这是数据采集系统最基本的要求，错误的或者误差过大的数据没有任何使用价值。但这个方面需要考虑的因素也最多，不但芯片的信噪比要高，对模拟电路的设计，PCB制版等也有很严格的要求，这是高速数据采集最困难的地方。(2)高速度科技越来越发达，时间的概念越来越小。也许你需要测量一个微粒的速
30、度，也许你需要检测一个频率非常高的信号，你就一定需要一个速度足够高的采样器。(3)解决思路首先，实现USB2.0通讯协议接口，测试最高的数据传输率；其实实现高速AD采样电路，使其正常工作保证一定的精度。2.3 国内外研究现状与发展趋势（1）高速随着科技的发展以及CPU的进步，计算机处理数据的速度越来越快，作为数据出入途径的I/O接口一定不能成为瓶颈，所以计算机接口及数据总线的数据吞吐量增长飞速。这一点在计算机主板南北桥之间通信总线的更替就很明显地体现出来：先前的PCI总线只有133MB/s的数据传输率，而最近出现的8X V-link总线则达到533MB/s.（2）串行通讯速率的提高使得并行接口
31、和连接线不堪重负，并行信号的串扰成了提升速度的桎梏，接口的通信频率也不能无线提升，而串口提升信号传输频率的潜力却要大的多，于是形成一个很有趣的局面，就好像8条马路通过汽车还没有1条快。最近出现的串行ATA硬盘实际上就是一个预兆，如果并行的串扰不能得到有效解决，将来高速数据传输的主流可能就会是串行通信了。（3）通用，可扩展计算机功能越来越强大，外设也越来越多。串口，并口，IEEE 1394口，键盘口，鼠标口，让人眼花缭乱。接口的通用性和可扩展性成为一种趋势。这样可以使用户方便地使用多种外设又不至于被各种各样的接口搞的糊涂，还可以同时使用几个甚至十几个设备。3 方案论证3.1 系统工作原理通用串行
32、总线适用于净USB外围设备连接到主机上，通过PCI总线与PC内部的系统总线连接，实现数据传送。同时USB又是一种通信协议，支持主系统与其外设之间的数据传送。USB器件支持热插拔，可以即插即用。USB1.1支持两种传输速度，既低速1.5Mbps和高速12Mbps，在USB2.0中其速度提高到40Mbps。USB具有四种传输方式，既控制方式（Control mode）、中断传输方式（Interrupt mode）、批量传输方式（Bulk mode）和等时传输方式（Iochronous mode）。考虑到USB传输速度较高，如果用只实现USB接口的芯片外加普通控制器（如8051），其处理速度就会很慢
33、而达不到USB传输的要求；如果采用高速微处理器（如DSP），虽然满足了USB传输速率，但成本较高。所以选择了TI公司内置USB接口的微控制器芯片TUSB3210，开发了具有USB接口的高速数据采集卡。3.2 系统原理图系统原理图如图1所示： 图？3.3 系统设计基本思想在图1中，前端的信号调理电路主要用于实现对模拟输入信号的调幅、滤波和增加输入阻抗的措施来获取预期有效信号一级保护后端AD转换芯片。模数转换电路采用TI公司的8位高速度模数转换器TLC5510。FPGA控制电路，主要用于实现对模数转换和CY7C68013（简称FX2）的控制以及对接受数据的缓存处理：SDRAM存储电路和配置电路主要
34、完成采集到数据存储和存放FPGA的配置信息，上电时将程序加载到FPGA中。USB数据传输电路完成数据和控制信息的传输。上位机软件采用MFC编写，主要实现数据的显示和对设备的检测控制。电源及复位电路为整个系统提供工作电压和系统的初始化。FPGA控制ADC进行连续采样，并将数据送到FIFO数据缓存中，当采集到一定量的数据后，FX2采用SlaveFIFO方式将数据传送给PC端进行显示、控制等相关处理。3.4 系统总体设计方案论证 在系统设计实现过程中 考虑过两种方案 区别就在于使用 DSP还是 FPGA连接USB 接口和控制 SDRAM 实现同步或异步数字接口 表1对两种实现做性能比较如表1： 表1
35、 FPAG方案和DSP+FPGA方案性能比较FPGA方案DPS+FPGA方案SDRAM控制Sdram控制器IP核自带sdram控制器同步/异步借口同步/异步IP核EMIF成本低高码率控制状态机+内部可配置FIFO中断+FPGA可配置FIFO电源USB供电外部电源模块本文实现了基于FPGA方案，对比DPS方案有如下缺点：l SDRAM控制器IP核的实现有一定难度。针对所选FPGA，使用Venilog开发相应的SDRAM控制器代码，并生成相应状态机，完成数据调度过程。而在DSP方案中，我们只需要关心行为级操作，即用C代码实现。l 针对不同的数字接口，需要开发相应的接口模块。DSP本身除带有强大的E
36、MIF口之外，还带有PCI等数字接口，可以方便的挂接在相应的总线上，节省开发周期。对比DSP方案的优点：l 两种方案由于都使用USB接口技术，但由于DSP方案功耗比较大，所以需要使用额外的电源模块，这本身对USB接口的易用性照成一定的影响。l 本系统为实现不同速率下的数据采集，需要使用同步（异步FIFO）做时钟同步和码率调整。在DSP方案中，EMIF口虽然提供了很多方便的同步（异步）接口，但需要配合额外的FPGA来实现单FPGA方案中的可配置FIFO的功能。从电路角度讲，增加一个器件意味着增加功耗，以及增加一个故障节点。通过以上对两种方案的比较，我们可以发现FPGA方案在功耗、资源利用率方面都
37、达到了极大的优化。它的难点基于FPGA IP核的实现。在DPS方案中，可以看到，现在厂商为DSP提供了强大的支持，我们只要用C语言实现的代码去配置相关寄存器，以及调用相关的函数就可以完成正确的接口通讯。3.5 USB芯片的选择与论证方案一：采用CP2102为USB接口的芯片。PC2102是USB到UART的桥接电路完成USB数据和UART数据的转换，电路连接简单，数据传输可靠，把下拉位机串行数据转换成USB数据格式，方便实现数据通信，在上啦机上通过运行该芯片的驱动程序把USB数据可以按照简单的串口进行读写操作编程简单，操作灵活。缺点是虽然解决了接口协议问题，但是传输速率太慢，对以后产品的升级，
38、大流量数据采集是一个障碍。方案二：采用ISP1362为USB接口芯片。ISP1362是飞利浦公司退出的OTG解决方案系列中产品，它在单芯片上集成了一个OTG控制器、一个高级主控制器（PSHC）和一个基于飞利浦ISP1181的外设控制器。ISP1362的OTG控制器完全兼容USB2.0及ONTheGo Supplement 1.0协议，主机和设备控制器兼容USB2.0协议，并支持12Mbit/s的全速传输和1.5Mbit/s的低速传输。缺点是市场上产品采购较难，开发资料相对较少。方案三：采用CY68013为USB芯片。Cpress Semiconductor 公司的EZ-USB FX2 是世界上
39、第一款集成USB2.0的微处理器，它集成了USB2.0收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。并提供非常全面的开发包。大大缩短了考法周期，而且技术相对成熟，开发使用者较多，资料非常全面，市场上的价格同人民币为18元，性价比极高。对于系统的要求和开发周期（毕业设计的课题）、难易程度考虑，选贼方案3较为合适，而方案3的CY7C68013有56引脚、100引脚和128引脚的3种封装。对于功能的实现，56引脚的封装已经可以瞒足系统的要求。所以系统选择56引脚的CY7C68013为USB接口芯片。3.6 USB主控制芯片的方案论证 方案一：采用MCS-51系列单片机作为
40、控制核心，其外围电路简、编程容易、仿真调试易于实现，运行速度、丰富的定时中断系统可以充分完全满足本设计的要求，而且市场货源充足、价格低廉，便于批量生产；缺点功能较少，处理能力较差，主频比较低。增加拓展功能需要外扩外围器件才能实现。对于以后的二次开发难度和成本都是很大的挑战。方案二：采用PLC（可编程逻辑控制器）作为系统控制核心。驱动能力强，有很强的抗干扰能力，系统稳定能适合恶劣的工作环境；缺点是价格非常昂贵，它是针对于大功率的器件控制，不适合采集卡。方案三：采用FPGA（现场可编辑们列阵）作为系统控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软
41、件进行仿真和调试。FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系统。对于达到本系统的性能指标非常合适。方案四：采用DSP（digital singnal processor）作为系统控制器。DSP是一种独特的微处理器，有自己的完成指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性。用于本系统不能很好的发挥它的特性。而与通用未处理相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。本设计要求语音信号的完整采集，在芯片内部要求音频数据的串并转换送到CY7C68013数据线，再传到PC上。对于整个系统以后的二次开发，
42、以及笔者对芯片的熟悉程度和掌握的知识来考虑，选择方案三为主控制单元最为合理。4 过程论述4.1 系统硬件总体设计4.1.1 系统分析本系统是一个FPGA为核心组成的数据采集系统，由于常用反而弱信号为-0.5V+0.5V，因此，信号的分辨率选择8位即可满足要求，测量当前模拟心啊好的值并显示和存储测量的数据值。具体电路包括:以ADC为核心的前端数据采集电路、以FPGA为核心的系统控制以及FX2为核心的USB接口。系统硬件框如图3系统电源及复位电路部分前端数据采集电路以FPGA为核心的控制电路USB数据传输接口电路图2 系统硬件电路框图主要功能介绍：前端数据采集电路：主要是实现信号的调理以及模数转换
43、，设计中主要考虑一下几个方面的问题：l 完成一次转换所需的时间，所需系统精度（线性度、相对精度、放大）；l 模拟信号的隔离，以及抗干扰问题的解决；l 模拟信号输入范围、被采集信号的分辨率；l 模拟信号传输所需的通道数，多路通道切换率是多少； FPGA控制电路：该电路是系统的核心电路，主要是完成系统的总体控制功能，即：实现对前面数据电路的控制和数据的缓存，同时还要完成对USB接口电路的控制和数据的传输。USB接口控制电路：该电路是数据传输电路，主要是完成FPGA和PC机的数据传输和信息交换。4.1.2 系统技术指标本设计以下列技术指标来完成系统的硬件设计。l 数据采集通道为单通道，被采集信号的分辨率为8位；l 模拟信号输入范围为-0.5V+0.5交流信号；l 电压增益为2，线性度为1.953%，相对精度2%；l FPGA选择外界有源晶振为25Mhz，通过FPGA内部PLL生成系统所需时钟，FPGA 逻辑设计所需时钟为30Mhz和40Mhz；l 嵌有USB2.0
