双通道同步高速数据采集器的设计

　　摘要：本文设计了一种Windows操作系统环境下通过USB接口实现的双通道同步高速数据采集器。该采集器利用FT2232H接口芯片完成上位机USB口与ADC转换器件之间的数据通讯。采集器中设置有一个微处理器(MCU)，上位机通过USB口发布命令给数据采集器，可以控制采样频率、数据长度及数据传输速率等参数。该采集器设置有两路同步工作的ADC，可实现双通道信号高速采集，最高采样频率可以达到10MSPS。

　　引言

　　作为信号处理的第一步，数据的采集传输成为影响系统性能的重要环节。RS232等传统串口不仅难以满足高速要求，且被主流笔记本所摒弃，而USB接口具有连接方便，高速，即插即用，支持热插拔等优点，使其成为PC机的标准配置，应用范围越来越广。很显然，利用USB标准实现对仪器仪表输出的模拟信号采集和数据传输已经成为趋势。梁鸿翔等人利用Cypress公司的USB控制芯片CY7C68013和同步数据采集芯片AD7862实现双通道信号的同步采集传输，但其驱动开发复杂，灵活性差等缺点，限制了其应用范围。本文采用FT2232H作为USB协议转换芯片，连接两路独立的ADC，配套底层驱动，避免了驱动开发的难题，而且灵活性好，可扩展性高。

　　系统组成

　　本文数据采集器由MCU，FT2232H接口芯片，两路ADC(本文为ADC1173)和电源转换电路等组成，其结构框图如图1所示。　　

　　本采集器以FT2232H接口芯片为核心，完成并行接口与USB接口之间的协议转换。MCU为控制单元，执行系统初始化设置并接收由FT2232H下传的上位机控制命令，根据相应命令对两路ADC进行启动和停止采样等控制，并设置ADC的采样频率。ADC采集的数据通过8位并行数据总线存入FT2232H的接收缓存FIFO中，经协议转换后通过USB接口传到上位机进行处理与存储。MCU自带的RS232口可以用于外部部件的低速数据通讯，比如海洋仪器设备的GPS接口数据等，增强系统的可扩展性。

　　系统硬件设计

　　系统硬件设计主要包括电源部分设计，各器件之间的接口设计和一些辅助电路设计。本文采用TPS54140电源芯片，外部24V电压供电，转换为系统所需的3.3V。系统硬件电路设计的重点是FT2232H与ADC的接口设计和FT2232H与MCU的接口设计。

　　FT2232H与ADC的接口设计

　　FT2232H是FTDI公司生产的USB与并行接口协议转换芯片。其具有两个多用途的UART/FIFO控制器，每个控制器拥有8K字节缓存(发送和接收各4K字节缓存)，通过其官网提供的配置软件可以分别对其进行功能配置，应用方便简单。该芯片还提供在多种系统下的底层驱动，并提供两种驱动方式，VCP(Virtual Com Port)和D2XX(Direct Drivers)。本文采用D2XX驱动方式，将其配置成两路相同的FT245异步FIFO接口。

　　将FT2232H的两个UART/FIFO控制器的数据线分别与两路ADC的数据输出线相连。接口具体连接方法如图2所示。MCU根据上位机命令，设置CLK信号输出频率，以决定ADC的采样频率。由于ADC1173在CLK的下降沿启动数据采集，上升沿输出采集的数据，而FT2232H在WR的下降沿将数据读入FIFO缓存，所以只需将CLK信号设置相应延时并反相后接入FT2232H的WR(A/B)信号，即可实现数据的同步高速采集传输，其时序如图3所示。