基于USB接口的便携式信号采集器

0 引言
在高速信号采集设备中，高速采集和实时数据的存储是一对固有矛盾。特别是在一些强调便捷性的场合中，这个问题愈发突出。该问题与设备接口、数据存储介质和控制方式三个方面相关。目前数据采集系统的接口方式很多，如RS 232串行口、并行口、ISA总线、PCI总线、PXI总线、USB等。RS 232明显满足不了速度的要求，PCI总线和PXI总线速度快，但是该接口方式通用性比较差，软件复杂，不易实现。USB 2．O传输速度可达480MSPS，支持即插即用，方便快捷，通用性强。数据存储介质多采用硬盘。硬盘具有体积大，容量大的特点。然而NAND FLASH具有体积小，速度快，操作方便的优点。
采集控制多采用虚拟仪器设备，这类设备需要使用电脑，功能强大，还需要操作系统的支持。采用FPGA作为控制核心，具有体积小，灵活等特点。所以采取USB和FPGA及NAND FLASH的采集设备具有灵活、便捷、高速的特点。采取间断性的采集方式能够很好地解决高速采集与实时数据存储之间的固有矛盾。

1 采集设备系统设计
该系统能够实现最高采样率80 MHz，其采样宽度为14位，输入电压峰峰值为2 V，最大存储容量为2 GB。该系统由6大部分组成，分别是模／数转换单元、缓存单元、USB传输单元、数据存储单元、总控制单元、系统的电源设计。系统框图如图1所示。

1．1 模／数转换单元
A／D转换的最高采样率为80 MSPS，输出为14位的二进制补码数据。芯片支持差分模拟信号的输入，并且输出CMOS兼容电压。
1．2 缓存单元
由于前端A／D的最高采样率为80 MSPS，因此需要先对数据进行缓冲后才能将数据不丢失存储；又因为要满足最高采集1 MB的连续模拟信号，且不丢失数据，因此缓存的容量至少为1 MB。采用的异步型SRAM IS61LV51216，存取时间为10 ns，单片容量为1 MB，故满足了这个要求。
1．3 数据存储单元
按便携式采集不能采用磁介质存储设备，同时还需要较存储容量，因SAMSUNG公司的K9K8G08UOA芯片作为存储芯片具有体积小，重量轻，单片容量8 Gb等特点。并且可以更换为单片64 Gb的NAND FLASH芯片实现目前8倍存储容量的升级，故采用它。
1．4 USB传输单元
采用USB接口进行数据传输具有方便、灵活的特点。采用CY7C68013 USB控制芯片容易实现将采集后的数据传输到电脑。
1．5 总控制单元
总控单元采用2片FPGA作为采集存储的控制核心，型号为EPC2C8208。总控制单元负责控制协调模／数转换单元、缓存单元、数据存储单元以及USB传输单元之间的数据传输，以实现系统的整体设计功能。
1．6 系统的电源设计
在整个系统中利用5 V为直接输入电压(5 V电压可以是电压源输入的也可以利用USB总线供电)，利用电源转换芯片LT_1764-3．3得到3．3 V电压，用PTH05000得到1．2 V电压。

2 采集设备系统工作模式
该采集系统采取数据导入和采集两种工作模式；两种工作模式独立工作方式来降低系统复杂度，采集模式在采集控制按键按下后开始信号采集，数据存储完成后进行LED报警表示采集完成；数据导入模式中存储的数据从FLASH中向计算机中导入，导入完成后提示。
采用SRAM和FLASH双乒乓的方式进行工作模式，系统实现最大的信号的吞吐率。图2，图3分别为2种工作模式的流程。