基于CH375的智能數據采集卡

摘 要:為擺脫數據采集卡對計算機的依賴，研制出一種基于ARM7內核處理器ADuC7026和USB 2.0控制器CH375的智能數據采集卡。該卡可以實現4路信號的波形、頻譜信息的實時顯示和記錄，并具有聯機模式和離線模式。在離線模式下可以脫離上位PC機獨立工作，將采集的數據存入U盤。硬件方面采用 AD8275，AD8251 實現的多通道共用信號調理電路，可實現4通道極性、量程的任意配置;下位機軟件方面實現 ADuC7026 擴展USB 2.0 接口，并通過它進行U盤的操作;上位機軟件方面采用 Visual C++ 6.0開發應用程序對USB固件進行調試、數據接收和分析處理。

關鍵詞:ARM7; USB 2.0; CH375; 數據采集卡; U盤

中圖分類號:TP274+.2 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)10-0143-03

Intelligent Data Acquisition Card Based on CH375

HOU Jin-zhen， ZHAN Tao， MAO Le-shan

(Department of Precision Instrument and Mechanology， Tsinghua University， Beijing 100084， China)

Abstract: An intelligent data acquisition card based on ARM7 processor ADuC7026 and USB 2.0 controller CH375 is developed to get rid of dependence on PC. This card can display and record real-time waveform and spectrum of 4-channel signal.There are two modes:online and offline.When it′s in offline mode， data can be collected into a U-disk without PC.In hardware designing， the signal conditioning circuit which is composed of AD8275， AD8251 is used that can make 4-channel implementation more flexible， The inferior processor software achieves the interface between ADuC7026 and USB 2.0， and writing of U-disks. The PC software written in Visual C++ 6.0 actualizes USB firmware debuging，receiving and analysing of the data.

Key words: ARM7; USB 2.0; CH375; data acquisition card; U-disk

0 引 言

數據采集是現代電子系統中不可缺少的重要組成部分，在測量、制造、自動控制等場合都需要高質量的信號采集環節，由于ADC技術和微控制器技術的相對成熟，基于PCI，ISA等接口的數據采集卡被廣泛地應用在眾多科研和工控領域。在測試技術日益變革的今天，測試任務更加復雜多變，需要采集和處理的信息量更加冗長，同時要求測試環節與計算機的接口更加無縫化和標準化，基于虛擬儀器技術(Virtual Instruments)[1]和高速USB 2.0接口的數據采集有著更為廣泛的應用前景和市場，是當前測試技術研究的熱點之一[2]。

以運算速度更快，位數更寬，資源更為豐富的ARM處理器作為控制核心，配合USB 2.0數據傳輸和靈活的上位機軟件，新一代的數據采集卡已經不再局限于單一的板卡形式，可以通過連接線獨立于計算機之外，根據測試任務的需求，滿足高精度、高速率、多功能的測試指標。同時由于采用了高性能的ARM處理器，控制程序容量加大，方便實現數據采集的獨立化、智能化、多樣化，擺脫數據采集系統對上位機運算能力的依賴，從而開發出全新的智能數據采集卡。

1 系統原理及框圖

整個系統的組成框圖如圖1所示。被測電壓信號經過前置調理送到AD7685進行采樣，由Atmega48的SPI驅動AD7685，采集到的雙字節(16 b)數據由Atmega48并口，分兩次傳送給ARM ADuC7026核心。當數據采集卡工作于聯機狀態時，由PC上位機軟件設置采樣頻率和通道工作模式，經過處理通過USB控制芯片CH375送數據到PC端;當數據采集卡工作于離線模式時，無需PC上位機干預，數據采集卡按照預先設定的采樣頻率和工作模式進行采樣，并將采樣數據通過USB控制芯片CH375送數據到U盤端。系統采用±9 V，+5 V，+3.3 V以及模擬地數字地，并由DC/DC模塊產生，經過良好的LC濾波為各個電路單元提供電力。人機接口(HMI)采用簡潔的雙按鍵和LED指示，對整個數據采集卡工作模式的選擇和運行狀態進行控制。

圖1 系統組成框圖

2 數據采集卡的硬件實現

2.1 ADC接口和信號調理電路

為了滿足較高的采集精度和采樣速率，該設計選擇AD7685作為模擬/數字轉換器件[3]。AD7685是一款16位、串行輸出、250 KSPS、電荷再分配、逐次逼近型(PulSAR)ADC[4]。ADC與處理器采用串行外圍設備接口(SPI)接口進行連接，為了保證ADC的精度，采用高速光耦6N137隔離式驅動電路來隔離處理器SPI總線上的串擾。

前置調理電路信號的流向參見圖1系統組成框圖。設計中，采用模擬開關ADG1024對輸入信號進行切換，并通過可編程增益放大器(PGA)AD8251進行處理，通過增益為0.2的電平轉換16位ADC驅動器AD8275，把±5 V的信號轉換成0.25~2.25 V的信號，極大地擴展了該數據采集卡的測量范圍，而簡化了前置調理電路的設計，其電壓計算公式如下:

VOUT=(VINP-VINN)/5+(VREF+0)/2

=(VINP-VINN)/5+1.25

經過前置調理電路使得不同量程范圍的輸入信號放大或衰減到0.25~2.5 V內，最大限度地利用ADC量程，使得采集系統的4個輸入通道可以有單通道、雙通道、四通道3種工作模式，且每個通道皆可以設置為任意量程。前置通道的相應配置由處理器ADuC7026完成，其配置遵循表1。

表1 采集通道設置對照表

量程/VAD825(1)增益AD825(2)增益AD8275輸出 /V最終輸出 /V

±51.01.00.25~2.250.25~2.25

±2.52.01.00.25~2.250.25~2.25

±1.254.01.00.25~2.250.25~2.25

0~+51.02.00.25~1.250.5~2.5

2.2 EMC措施

該設計采用外置9 V開關型穩壓電源或USB端口供電，由于開關電源的低成本和高功率密度，普遍被現代電子系統設計所采用，但其帶來的電磁干擾(EMI)問題也不容忽視[5]。同時，ARM7主頻高達45 MHz，必須考慮其EMI問題。該設計盡量選取低噪聲的放大器和ADC，遵循最短路徑的布線原則，確保前置通道具有較低的噪聲水平[6]。設計中，采用數字地/模擬地分區覆銅，并一點接地的布線方式，避免電源和數字部分對模擬地電位產生浮動和干擾[7]。同時，采集卡外殼貼裝鋁箔紙，以防止外界電磁輻射影響內部電路的工作。

2.3 USB接口

該設計使用USB控制芯片CH375，內置海量存儲固件，既可以作為USB設備方式向PC上位機傳送數據，又可以作為USB主機，將數據存入U盤中。該芯片支持USB 2.0通信協議，在并口工作模式下能同時支持主機方式和設備方式。為了保證USB高速傳輸數據的穩定性和完整性，采取如下措施:

(1) 采用USB屏蔽線作為連接線，保證數據傳輸不受外界電磁干擾。

(2) 保證計算機USB端口的地線與USB控制芯片CH375的地線嚴格等電位。

2.4 ARM系統的構建

ADuC7026是基于ARM7TDMI內核的精密控制器，具有62 KB FLASH，8 KB RAM和4個通用定時器，內部集成UART，I2C，SPI，DAC，PWM，JTAG端口、PLA等眾多硬件資源，40個通用I/O引腳。CPU時鐘高達45 MHz，采用80腳LQFP封裝[8]。在該設計中，搭建了一個包括供電電路、時鐘電路、復位電路、JTAG程序下載調試接口等電路的完整ARM7應用系統。實際上由于實測ADuC7026的外部I/O取反速度只有4 MHz，因此在SPI設計中，該設計加入Atmega48單片機作為中轉，保證了控制核心在處理USB通信、U盤讀/寫等大量信息時對采樣的準確觸發。

3 程序設計

3.1 ARM端程序編寫

ARM下位機軟件完成的主要功能有3個進程，分別為Wait，Online，Offline。當數據采集卡上電復位后，首先執行Wait進程，該進程等待按鍵操作，更改系統工作模式，配合的子程序還有相應初始化程序、按鍵防抖程序等。當Wait進程結束時，系統轉入聯機模式(Online)或離線模式(Offline)。聯機模式按照用戶設置進行采樣，將數據存入CH375緩沖，CH375負責將數據傳送給上位PC機，其程序流程如圖2所示。離線模式則利用CH375海量存儲固件，將數據存入U盤。為保證采集的實時性，控制器將數據存放在U盤扇區中[9]，而不是以文件的形式讀/寫，避免創建文件時復雜時序的延誤，其程序流程圖如圖3所示。

圖2 聯機模式程序流程圖

圖3 離線模式程序流程圖

3.2 PC端編程

該數據采集卡的上位機應用程序由動態鏈接庫DLL和客戶端程序2個部分組成[10]。其中，DLL負責與內核態的USB功能驅動程序通信，并接收應用程序的各種操作請求;客戶端程序負責對數據進行分析處理。采用VC++編寫，遵循了工程通用的輸入/輸出界面，可以完成普通數據采集卡的在線采集功能，同時也可以將數據采集卡存儲在U盤中的采集數據，通過物理扇區尋址來讀取相應的采集數據。

4 測試與結論

通過該數據采集卡掛載U盤，對5 kHz正弦單通道信號進行采集，將U盤數據導入上位機，以獲得如圖4所示的波形，它良好地復現了現場波形信號。

圖4 5 kHz正弦波離線模式采樣曲線

5 結 語

由于采用了支持海量存儲技術的多模式USB總線控制芯片CH375和高速低功耗的ARM7控制器，使得該數據采集卡具有一定的智能采集能力，擺脫上位機連接限制而獨立工作，采集到的數據存儲到U盤中。符合新型數據采集系統小型化、移動化、智能化的發展趨勢，廣泛適用于工業現場和戶外作業等應用場合，有很高的實用價值和推廣意義。

該項目獲得2009年UDC全國大學生創新設計競賽高級組一等獎。

參考文獻

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[9]南京沁恒電子有限公司.U盤文件讀寫模塊的說明，單片機讀寫U盤[EB/OL]. [2007-11-09] http://www.winchiphead.com/download/ index.htm.

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