USB数据采集卡.docx
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USB数据采集卡
USB2005数据采集卡
硬件使用说明书
北京阿尔泰科技发展有限公司
产品研发部修订
第一章USB简介
USB（UNIVERSALSERIERBUS）又称之为通用串行总线，不仅仅简单地将计算机和外设连接在一起，而是使我们进入了一个全新的PC机时代。
USB是您进行数字图象处理的最佳选择，同时她也为数字化设计提供了无限的创造空间，一但您尝试使用了USB，势必爱不释手。
为什么USB越来越受到用户的青赖呢？
USB实现了那些一直梦想快速直接连接外设到PC机的使用者的梦想，添加一个传统外设首先您不得不弄清楚在那些令人迷惑的端口序列中那一个才是您需要的。
其次，在通常情况下，您还不得不提前拆开PC机，安装需要的板卡，并且选择跳线，诸如中断设置等，这些非常的麻烦。
甚至使一些用户惧怕去想添加外设。
USB使添加外设变的十分简单，任何人都可以轻松的做到。
首先，USB用一个标准的插拔端口代替了所有的不同种类的串并口。
使用USB连接PC机和外设，您只须把他们连接在一起！
剩下的事情USB会自动帮您完成。
他就像是给您的PC机添加一个新的功能。
您再也不须拆开您的PC机，也不必担心插入板卡，DIP跳线和中断设置。
其次，USB的即插即用功能，当您需要接入外设时，甚至不必关闭电源重启计算机。
只要插入便可运行！
PC自动检测外围设备并且配置必要的软件。
这种功能可用于想分享外设的商业PC和笔记本PC。
而当您需要移走外设时，只须拔走USB插头即可。
也许您会问“我可以同时接多个外围设备吗？
PC机有足够的USB接口吗？
”USB当然可以同时连接多个外围设备；许多PC机有两个以上的USB端口，而集线器——一种特殊的USB外围设备，可以附属多个USB端口，当您需要使用多于两个外设时，接入一个集线器即可。
USB传输数据的速度非常快，达到12MBIT，而在新发行的USB2．0版本中，其传输速度达到480Mbit。
第二章产品说明
第一节、性能和技术指标
一、性能
·模拟电压输入范围：
±10V
·A/D转换分辨率：
16Bit，32K字FIFO存储器保证AD数据的完整性。
·32单端模拟信号输入
·16双端模拟信号输入
·16路开关量输入
·16路开关量输出
·硬增益范围：
1、2、4、8（N2为PGA203）
1、10、100、10000（N2为PGA202）
·可以选择内外时钟信号
·可以选择内外触发信号
·一组计数器供用户使用
二、应用范围
·野外测控
·信号采集
·医疗设备
三、技术指标
USB总线，支持USB2.0Full-Speed协议，真正实现即插即用
CPLD接口芯片设计，具有极高的保密性，特别适合OEM合作
1、模拟信号输入部分
·模拟通道输入数：
32路单端/16路双端模拟信号输入
支持通道扫描及伪同时采样（即同步采集）扫描模式。
（注：
伪同步模式：
既模拟同步采样模式，采样被定时器或外部时钟启动后，USB2005以100KHz（ADS7805）/200KHz（AD976AAR）的最大速度对用户设置的一组通道采样，结束后等待下一次启动，如此循环采样）
·模拟电压输入范围：
±10V
·模拟输入阻抗：
100MΩ
·模拟输入共模电压范围：
>±2V
·放大器建立时间：
2uS
·硬增益范围：
1、2、4、8（N2为PGA203）
1、10、100、10000（N2为PGA202）
2、A/D转换电路部分
·A/D分辨率：
16Bit（65536）
·非线性误差：
±1LSB（最大）
·系统测量精度（满量程）：
0.01%
·采样速率：
100KHz（ADS7805）/200KHz（AD976AAR）
·转换时间：
10us（ADS7805）/5us（AD976AAR）
注：
以上技术指标未注明者均为典型值。
3、开关量输入输出部分
·16路数字量输入、16路数字量输出经过20脚扁平电缆插座XS2、XS3引出。
·数字端口满足标准TTL电气特性：
输入TTL电平，吸入电流小于0.5mA。
输出TTL电平，最大下拉电流20mA,上拉电流2.6mA。
·数字量输入高电平（即“1”）的最低电压：
2V
数字量输入低电平（即“0”）的最高电压：
0.8V
·数字量输出高电平（即“1”）的最低电压：
3.4V
数字量输出低电平（即“0”）的最高电压：
0.5V
第二节、元件位置图及各种插座管脚定义
一、主要元件位置图
此板配有机箱；
RP1：
程控仪表放大器零点调整电位器
RP2：
程控仪表放大器满度调整电位器
RP3：
A/D零点调整电位器
RP4：
A/D满度调整电位器
XF1、XF2：
模拟电压输入单端、双端选择
XF3：
内外时钟选择
XS1:
模拟信号输入及外触发信号输入连接插座
XS2：
开关量输入插座
XS3：
开关量输出插座
第一个POWERLED:
USB2005卡电源指示灯，USB2005与计算机通过USB带缆连接后，此指示灯应亮
第二个POWERLED：
与POWERLED并联联接，当将USB2005放置于机箱内时，可将其电源指示灯移到机箱上
第一个OVERFLOWLED：
当USB2005卡上FIFO存储器“全满”指示灯亮时，说明USB2005卡的A/D数据已经溢出
第二个OVERFLOWLED：
与第一个并联联结，通过它可以将FIFO存储器“全满”指示灯移到上
二、关于模拟输入引脚37芯插头XS1的管脚定义
1、图表说明
注：
全篇GND即是DGND。
2、表格说明
管脚号
名称
管脚功能
特性
管脚号
名称
管脚功能
特性
1
CH31
模拟信号输入通道31
IN
20
CH30
模拟信号输入通道30
IN
2
CH29
模拟信号输入通道29
IN
21
CH28
模拟信号输入通道28
IN
3
CH27
模拟信号输入通道27
IN
22
CH26
模拟信号输入通道26
IN
4
CH25
模拟信号输入通道25
IN
23
CH24
模拟信号输入通道24
IN
5
CH23
模拟信号输入通道23
IN
24
CH22
模拟信号输入通道22
IN
6
CH21
模拟信号输入通道21
IN
25
CH20
模拟信号输入通道20
IN
7
CH19
模拟信号输入通道19
IN
26
CH18
模拟信号输入通道18
IN
8
CH17
模拟信号输入通道17
IN
27
CH16
模拟信号输入通道16
IN
9
CH15
模拟信号输入通道15
IN
28
CH14
模拟信号输入通道14
IN
10
CH13
模拟信号输入通道13
IN
29
CH12
模拟信号输入通道12
IN
11
CH11
模拟信号输入通道11
IN
30
CH10
模拟信号输入通道10
IN
12
CH9
模拟信号输入通道9
IN
31
CH8
模拟信号输入通道8
IN
13
CH7
模拟信号输入通道7
IN
32
CH6
模拟信号输入通道6
IN
14
CH5
模拟信号输入通道5
IN
33
CH4
模拟信号输入通道4
IN
15
CH3
模拟信号输入通道3
IN
34
CH2
模拟信号输入通道2
IN
16
CH1
模拟信号输入通道1
IN
35
CH0
模拟信号输入通道0
IN
17
AGND
模拟地
IN/OUT
36
AGND
模拟地
IN/OUT
18
EX_CLK
外部时钟输入
IN
37
TR
外触发信号输入
IN
19
DGND
数字地
IN/OUT
CH0～CH31：
USB2005A/D卡输入通道号（单端方式时）
CH0～CH15：
双端模拟信号输入正端（双端方式时）
CH16～CH31：
双端模拟信号输入负端（双端方式时）
在调用InitDeviceAD初始化AD过程中，若用户置硬件参数ADPara.GroundingMode为USB2005_SE_MODE常量时为单端方式，此时所有通道均可被采样，若置硬件参数ADPara.GroundingMode为USB2005_DI_MODE常量时为双端方式，此时，各通道的对应关系如下：
正端CH0+n与负端CH16+n构成双端输入，n为0-15的自然数，即为双端通道号。
如n为0时，则表示为双端通道0由正端CH0（即0+0）与负端CH16（即16+0）构成；
如n为1时，则表示为双端通道1由正端CH1（即0+1）与负端CH17（即16+1）构成；以次类推。
EX_CLK：
外部输入时钟信号（由硬件跳线器XF3的1-2脚跨接时选择外时钟）
此时，AD采样时钟由EX_CLK信号提供，且ADPara.Frequency参数自动失效。
TR：
外部触发信号（由软件设置即可）
当选择内触发（即ADPara.TriggerSource=USB2005_IN_TRIGGER）时此信号无效
当选择外触发时（即ADPara.TriggerSource=USB2005_OUT_TRIGGER）时此信号有效。
此时，只有当TR管脚上有一上升沿跳变时，AD才会被启动，否则AD读取函数ReadDeviceAD自动等待直到触发信号到来。
内外触发选择实现函数:
InitDeviceAD
详情请参考软件说明书中USB2005_PARA_AD
AGND：
模拟地
DGND：
数字地
三、于20芯插头XS2开关量输入的管脚定义
管脚号
管脚名称
管脚定义
电气特性
管脚号
管脚名称
管脚定义
电气特性
1
DI0
数字量输入通道0
IN
2
DI1
数字量输入通道1
IN
3
DI2
数字量输入通道2
IN
4
DI3
数字量输入通道3
IN
5
DI4
数字量输入通道4
IN
6
DI5
数字量输入通道5
IN
7
DI6
数字量输入通道6
IN
8
DI7
数字量输入通道7
IN
9
DI8
数字量输入通道8
IN
10
DI9
数字量输入通道9
IN
11
DI10
数字量输入通道10
IN
12
DI11
数字量输入通道11
IN
13
DI12
数字量输入通道12
IN
14
DI13
数字量输入通道13
IN
15
DI14
数字量输入通道14
IN
16
DI15
数字量输入通道15
IN
17
DGND
数字地
IN/OUT
18
DGND
数字地
IN/OUT
19
DGND
数字地
IN/OUT
20
DGND
数字地
IN/OUT
DI0～DI15：
为开关量输入
DGND：
数字地
四、关于20芯插头XS3开关量输出的管脚定义
管脚号
管脚名称
管脚定义
电气特性
管脚号
管脚名称
管脚定义
电气特性
1
D00
数字量输出通道0
IN
2
DO1
数字量输出通道1
IN
3
D02
数字量输出通道2
IN
4
DO3
数字量输出通道3
IN
5
D04
数字量输出通道4
IN
6
DO5
数字量输出通道5
IN
7
D06
数字量输出通道6
IN
8
DO7
数字量输出通道7
IN
9
D08
数字量输出通道8
IN
10
DO9
数字量输出通道9
IN
11
D010
数字量输出通道10
IN
12
DO11
数字量输出通道11
IN
13
D012
数字量输出通道12
IN
14
DO13
数字量输出通道13
IN
15
DO14
数字量输出通道14
IN
16
DO15
数字量输出通道15
IN
17
DGND
数字地
IN/OUT
18
DGND
数字地
IN/OUT
19
DGND
数字地
IN/OUT
20
DGND
数字地
IN/OUT
DO0～DO15：
为开关量输出
DGND：
数字地
五、关于4芯插头XS5计数器管脚定义
管脚号
管脚定义
1
CLK
2
OUT
3
GATE
4
DGND
CLK、OUT、GATE：
分别为8254定时/计数器的供用户使用的一组管脚
DGND：
数字地
注：
关于8254的编程资料见《定时计数器8253_4》文档。
第三节、模拟信号的增益设置
USB2005A/D卡通过软件来选择AD前端放大器的倍数,N2为PGA203硬件增益：
1、2、4、8倍;N2为PGA203硬件增益:
1、10、100、10000倍。
第四节、短路套设置
本产品出厂设置为：
量程为±10V；单端输入方式，内时钟和内触发方式。
本卡模拟信号输入的单、双端选择是由软硬件共同完成的。
在调用InitDeviceAD初始化AD过程中，若用户置硬件参数ADPara.GroundingMode为USB2005_SE_MODE常量时为单端方式，此时所有通道均可被采样，若置硬件参数ADPara.GroundingMode为USB2005_DI_MODE常量时为双端方式。
1单端输入方式：
XF2
XF1
2双端输入方式：
XF2
XF1
第五节、寄存器数据格式
A/D转换结果寄存器各位定义如下：
D15
D14
D13
D12
D11
D10
D9
D8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
AD15
AD14
AD13
AD12
AD11
AD10
AD9
AD8
AD7
AD6
AD5
AD4
AD3
AD2
AD1
AD0
AD0～AD15：
为A/D转换结果的16位数据，它的具体定义（双极性模拟输入时的结果数据格式）如下表:
输入
A/D结果编码（二进制）
A/D结果编码（十六进制）
A/D结果编码（十进制）
正满度
1111111111111111
FFFF
65535
正满度－1LSB
1111111111111110
FFFE
65534
中间值+1LSB
1110000000000001
8001
32769
中间值（零点）
1000000000000000
8000
32768
中间值－1LSB
0111111111111111
7FFF
32767
负满度+1LSB
0000000000000001
0001
1
负满度
0000000000000000
0000
0
第六节、模拟信号输入连接方式
一、单端输入方式：
USB2005板均可按下图连接成模拟电压单端输入方式，主要应用在噪声干扰不高的场合。
32路模拟输入信号连接到CH0～CH31端，其公共地连接到AGND端。
连接方式如下图：
二、双端输入方式：
USB2005板可按下图连接成模拟电压双端输入方式，主要应用在噪声干扰高的场合，可以有效抑制共模干扰信号，提高采集精度。
16路模拟输入信号正端接到CH0～CH15端，其模拟输入信号负端接到CH16～CH31端，并在距离XS1插座近处，在负端与AGND端各接一只几十KΩ至几百KΩ的电阻（当现场信号源内阻小于100Ω时，该电阻应为现场信号源内阻的1000倍；当现场信号源内阻大于100Ω时，该电阻应为现场信号源内阻的2000倍），为仪表放大器输入电路提供偏置。
连接方式如下图：
第四章AD数据采集原理
USB2005AD卡自带时钟和定时器，在设定首、末通道号后，模拟量从37芯D型接口输入后，经过8选一开关选择通道进入放大器，由放大器输出到A/D转换器，开始数据转换，AD转换结果数据写入先进先出存储器FIFO，最后经USB2005卡的USB系统将AD数据送入计算机。
第一节、AD工作模式：
USB2005具有二种采样模式：
伪同步采集模式、分频采集模式
伪同步采集模式：
模拟同步采样模式，也叫分组采集模式，适合应用在对一组输入通道采样的时差要求尽量小，但组之间的时间间隔较大的应用场合。
当由定时器脉冲或外部时钟有效边沿启动后，在板上逻辑的控制下以设定的频率，从第首通道FirstChannel开始顺序转换到末通道FirstChannel结束（FirstChannel<=LastChannel）。
同时转换数据顺序写入FIFO存储器中，转换完后重新进入等待比较长的时间（时间长短由用户设定），等待下一个启动信号，再开始从FirstChannel到LastChannel通道的转换，如此循环下去。
分频器采集模式：
也叫连续采集模式当由定时器脉冲或外部时钟有效边沿启动后，AD开始转换当前通道，并且AD在转换时板上逻辑电路自动设置为下一个转换通道，等待下一个有效启动脉冲到来。
通道转换顺序为：
从首通道FirstChannel开始顺序转换到第末通道LastChannel结束，然后由重新从FirstChannel到LastChannel通道，如此循环直到用户结束转换，（FirstChannel<=LastChannel）。
AD转换数据顺序写入FIFO寄存器中。
因此，在不同模式下，启动时钟的最大频率不同。
由于AD的转换速度是100KHz，各种模式下的最大转换速度如下：
伪同步采集模式：
K个通道的转换时间T=10*K（uS），K=（LastChannel-FirstChannel+1）为一次转换的输入通道数量。
等效每通道最大采样速度：
100K（Hz）/（LastChannel-FirstChannel+1）。
分频器采集模式：
每通道最小转换时间：
Tmin=10uS/通道，等效每通道最大转换速度（KHz）：
100/（转换通道个数）。
第二节、A/D转换启动控制：
转换启动可以由软件或外部硬件触发启动整个转换过程，除非用户终止转换，否则将一直转换下去。
一旦启动转换，AD转换将在板上定时器或外部时钟驱动下按用户设置的起始、终止通道逐一通道顺序、循环转换。
第三节、板上转换定时器：
USB2005的16位定时器为模拟转换提供精确的定时，定时器输入基准时钟为4MHz，周期为250纳秒。
定时器为减法计数器，当由用户设置的初值减到1时，发出启动脉冲并自动将定时器数据重新设置为初值。
16位数据初值范围：
2-65535，对应周期=0.25*N（uS），N：
设置的16位定时器初值。
1、在分频器采样模式下：
最小转换周期为10uS（初值=40），由此USB2005的转换周期为：
10uS~16384uS。
2、伪同步采集：
所谓伪同步采集是指设定的首末通道内以AD的最高速率采集（本卡为100K，周期为10us,由8253的0通道决定），而首末通道之间的时间T1可由程序设定，本板由8253的通道的时间常数确定，。
T1=时间常数（2-65535）×0.25us,例如：
对2、3、4、5、6通道实现伪同步采集如下图：
启动信号
其中：
T0：
10us为触发A/D转换的周期（一般为本卡最高速率，即100KHz）。
此周期可以通过改变硬件参数ADPara.Frequency来实现。
T1：
为每组转换完之后与下一组转换开始之前的时间间隔，这个时间可由软件按需求设定。
它由硬件参数ADPara.GroupInterval来实现，取值范围为（0.5uS~16384uS）。
第四节、FIFO数据、状态：
FIFO中的数据按从首通道FirstChannel到末通道LastChannel的采样数据依次循环存放，如下：
FirstChannel,FirstChannel+1,….,LastChannel…….FirstChannel,..,LastChannel,……结束
USB2005的FIFO（先进先出寄存器）容量为32K字，具有空（EF）、半满（HF）、溢出（FF）标志，标志“0”时有效。
采样数据不断的写入FIFO中，用户检测到半满标志后，立即读入16K个数据，以保持FIFO中的数据不超过32K个，否则FIFO溢出，数据队列顺序会打乱（新进入的数据将冲掉最先写入的数据）。
如果出现FIFO溢出，只能靠提高计算机速度或降低采样速度或扩大存储器容量来弥补。
第五章产品的应用、校准、保修
第一节、USB2005演示系统的操作：
请见本公司软件说明书的USB部分。
第二节、注意事项
在公司售出的产品包装中，用户将会找到这本说明书和USB2005板，同时还有产品质保卡。
产品质保卡请用户务必妥善保存，当该产品出现问题需要维修时，请用户将产品质保卡同产品一起，寄回本公司，以便我们能尽快的帮用户解决问题。
在使用USB2005板时，应注意以下问题：
1、USB2005板正面的IC芯片最好不要用手去摸，防止芯片受到静电的危害。
2、用户务必注意电源的开关顺序，使用时要求先开主机电源，后开信号源的电源；先关信号源的电源，后关主机电源。
第三节、校准
USB2005板出厂时已经时按±5V校准，只有当用户使用一段时间后，需要做校准。
准备一块5位半精度以上数字电压表，安装好USB2005，打开主机电源，预热15分种。
一、A/D校准USB2005按～步骤校准放大器
选模拟输入的任意一个通道，比如CH0通道，将CH0通道输入接0伏电压,在WINDOWS下运行USB2005测试程序,选择0通道、程控增益为1（与硬件设置相同），屏幕为单通道显示（即只采集0通道），开始采集后，调整电位器RP1，使N6（PGA202/203）的第11、12脚对地电压为0.000V。
选模拟输入的任意一个通道，比如CH1通道，CH1接正满度电压5.000V，在WINDOWS下运行USB2005测试程序,选择1通道、程控增益为1（与硬件设置相同），屏幕为单通道显示（即只采集1通道），开始采集后，调整电位器RP2,使N6（PGA202/203）的第12脚对地电压为10.000V。
重复步骤，直到满足要求为止。
然后进行下一步。
二、A/D转换器校准步骤
选择任意两个通道，如CH0、CH1，分别接0V、5.000V电压，在WINDOWS下运行USB2005测试程序,选择0、1通道、程控增益为1（与硬件设置相同），屏幕为双通道显示（即只采集0、1通道），开始采集后，先调整电位器RP3（调零），使屏幕显示的CH0通道的电压值（A/D转换后采集的电压值）0V。
然后调整电位器RP4（调满度）,使屏幕显示的CH1通道的电压值（A/D转换后采集的电压值）9.9993V.反复调整RP3、RP4,直到满足要求为止。
第四节、保修
USB2005自出厂之日起，两年内，凡用户遵守运输，贮存和使用规则，而质量低于产品标准者公司免费修理。
附录一板卡及其机箱尺寸
第一节、USB2005板外形尺寸:
137.16006mm×114.427mm
注：
四个定位孔到各边的距离都是相等的
第二节、USB2005机箱（铝合金外壳）的尺寸：
147mm（长）×12
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