USB数据采集卡.docx
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USB数据采集卡
USB2002数据采集卡
使用说明书
北京阿尔泰科贸有限公司
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？
第
．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。
第
．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。
第
．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，其传输速度居然达到480Mbit。
第一章概述
USB2002模板是USB总线兼容的数据采集板，可经USB电缆接入计算机，构成实验室、产品质量检验中心、野外测控、医疗设备等领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程控制监控系统。
而且它具有体积小，即插即用等特点，因此是便携式系统用户的最佳选择。
USB2002板上装有14Bit分辨率的A/D转换器。
为用户提供了32路单端模拟信号输入、16路双端的模拟输入通道。
A/D转换器输入信号范围为:
USB2002:
±5V，±10V（AD7899-1），USB2002A:
0～+5V，0～+2.5V（AD7899-2）。
USB2002数据采集板具有二种采样模式：
1、伪同步采集（也称为分组采集）；
2、分频采集（也称为连续采集）。
一、性能和技术指标
1、性能
·模拟电压输入范围：
USB2002:
±5V，±10V（AD7899-1），
USB2002A:
0～+5V，0～+2.5V（AD7899-2）。
·A/D转换分辨率：
14Bit，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
2、应用
·野外测控
·信号采集
·医疗设备
3、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
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（同步采保）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，USB2002以
400KHz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：
USB2002:
±5V，±10V（AD7899-1），
USB2002A:
0～+5V，0～+2.5V（AD7899-2）。
·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
A/D转换电路部分
·A/D分辨率：
14Bit（16384）
·非线性误差：
±1LSB（最大）
·转换时间：
2.5μS
·系统测量精度（满量程）：
0.1%
·采样速率：
400K
·转换时间：
2.5us
·系统测量精度（满量程）：
0.05%
注：
以上技术指标未注明者均为典型值。
4、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0.5毫安。
输出TTL电平，最大下拉电流20mA,上拉电流2.6毫安。
·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
5、USB2002板外形尺寸:
137.16006mm*114.427m
6、USB2002机箱（铝合金外壳）的尺寸：
310mm（长）*260mm（宽）*60mm（高）
第二章元件位置图、信号插座、跳线和数据定义
一、主要元件位置图
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
XF2、XF3：
模拟电压输入单端、双端选择
XF1：
模拟电压输入量程选择
XS1:
模拟信号输入连接插座
XS2：
开关量输入插座
XS3：
开关量输出插座
第一个POWERLED:
USB2002卡电源指示灯，USB2002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USB2002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USB2002卡上FIFO存储器“全满”指示灯亮时，说明USB2002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）.图象说明
（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
36
AGND
模拟地
IN
18
AGND
模拟地
IN
37
TR
外触发信号
IN
19
DGND
数字地
IN
CH00～CH31：
USB2001A/D卡输入通道号（单端方式时）
CH00～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USB2002_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USB2002_DI_MODE常量时为双端方式，此时，各通道的对应关系如下表：
原始通道对
对应的采样通道号
原始通道对
对应的采样通道号
CH0,CH16
CH0
CH8,CH24
CH8
CH1,CH17
CH1
CH9,CH25
CH9
CH2,CH18
CH2
CH10,CH26
CH10
CH3,CH19
CH3
CH11,CH27
CH11
CH4,CH20
CH4
CH12,CH28
CH12
CH5,CH21
CH5
CH13,CH29
CH13
CH6,CH22
CH6
CH14,CH30
CH14
CH7,CH23
CH7
CH15,CH31
CH15
TR：
外部触发信号，在调用InitDeviceAD初始化AD过程中，若用户置硬件参数ADPara.TriggerSource为USB2002_IN_TRIGGER常量（即内触发方式）时，此管脚信号对AD采样无效，只有当用户置硬件参数ADPara.TriggerSource为USB2002_OUT_TRIGGER常量时，该管脚信号才有效。
此时，当TR管脚上的信号出现了上升沿（即由低至高的变化）时，USB2002A/D卡将在硬件上响应该信号，且立即启动AD采集，用户便可以用ReadDeviceAD函数读取AD数据，如果这个TR信号没有上升沿，则ReadDeviceAD函数以不返回的方式一直等待外触发信号的到来，一旦AD被触发后，不管TR信号的状态如何，对后续AD采集无任何影响。
过后用户都可以调用ReleaseDeviceAD释放AD设备，停止采样（也只有停止后，新的外触发信号才有效）。
具体使用可以参考软件说明书和演示工程。
AGND：
模拟地
GND：
数字地
三、关于20芯插头XS2开关量输入的管脚定义
管脚号
管脚定义
管脚号
管脚定义
1
DGND
2
DGND
3
DI8
4
DI9
5
DI10
6
DI11
7
DI12
8
DI13
9
DI14
10
DI15
11
IN0
12
IN1
13
DI0
14
DI1
15
DI2
16
DI3
17
DI4
18
DI5
19
DI6
20
DI7
DI0～DI15为开关量输入
DI16、DI17分别为读入A/D数据的D14、D15位
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
管脚定义
管脚号
管脚定义
1
DGND
2
DGND
3
DO8
4
DO9
5
DO10
6
DO11
7
DO12
8
DO13
9
DO14
10
DO15
11
DGND
12
DGND
13
DO0
14
DO1
15
DO2
16
DO3
17
DO4
18
DO5
19
DO6
20
DO7
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2的三个管脚；DGND：
数字地
六、短路套设置及数据格式
1、模拟信号输入方式选择：
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USB2002_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USB2002_DI_MODE常量时为双端方式
1单端输入方式：
XF3
XF2
2双端输入方式：
XF3
XF2
2、模拟信号输入量程选择
USB2002
XF1模拟量输入范围为±10V的选择图
XF1模拟量输入范围为±5V的选择图
USB2002A
XF1模拟量输入范围为0～5V的选择图
XF1模拟量输入范围为0～2.5V的选择图
3、A/D转换结果寄存器：
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
IN1
IN0
AD13
AD12
AD11
AD10
AD9
AD8
AD7
AD6
AD5
AD4
AD3
AD2
AD1
AD0
其中：
AD0～AD13：
为A/D转换结果的14位数据，它的具体定义如下表。
IN0、IN1：
两个数据位已分别通过XS2接线座的11脚和12脚引出，可接外部TTL电平信号。
通过对此两位的合理利用，可以实现在AD采样过程中，跟踪某些特定的或随机的外部信号，如触发点信号，转速脉冲信号，频率脉冲信号等。
注意：
外接信号必须符合TTL电平标准，如果不用时，请最好接本设备地线。
USB2002板为双极性模拟输入（USB2002）时的结果数据格式如下表所示：
输入
AD原始码（二进制）
AD原始码（十六进制）
求补后的码（十进制）
正满度
01111111111111
1FFF
16383
正满度－1LSB
01111111111110
1FFE
16382
中间值+1LSB
00000000000001
0001
8193
中间值（零点）
00000000000000
0000
8192
中间值－1LSB
11111111111111
3FFF
8191
负满度+1LSB
10000000000001
1001
1
负满度
10000000000000
1000
0
USB2002板为单极性模拟输入（USB2002A）时的结果数据格式如下表所示：
输入
AD原始码（二进制）
AD原始码（十六进制）
求补后的码（十进制）
正满度
01111111111111
1FFF
16383
正满度－1LSB
01111111111110
1FFE
16382
中间值+1LSB
00000000000001
0001
8193
中间值
00000000000000
0000
8192
中间值－1LSB
11111111111111
3FFF
8191
零点+1LSB
10000000000001
1001
1
零点
10000000000000
1000
0
七、模拟输入信号的连接方式
7．1单端输入方式：
USB2002板均可按图4.1连接成模拟电压单端输入方式，16路模拟输入信号连接到CH00～CH31端，其公共地连接到AGND端。
7．2双端输入方式：
USB2002板可按图3.2连接成模拟电压双端输入方式，可以有效抑制共模干扰信号，提高采集精度。
8路模拟输入信号正端接到CH00～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。
第三章工作原理
USB2002AD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USB2002卡的USB系统将AD数据送入计算机。
1、AD工作模式：
USB2002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400KHz的速度，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400KHz，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=2.5*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：
400K（Hz）/（LastChannel-FirstChannel+1）。
分频器采集模式：
每通道最小转换时间：
Tmin=2.5uS/通道，等效每通道最大转换速度（KHz）：
400/（转换通道个数）。
2、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。
3、板上转换定时器：
USB2002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2.5uS（初值=10），由此USB2002的转换周期为：
2.5uS~16384uS。
2、伪同步采集，也叫分组采集，即将首末通道所限定的通道数作为采样组，假如FirstChannel=0,LastChannel=7那么0,1,2,3……7共8个通道作为采样组，0到7通道之间的采样频率由ADPara.Frequency参数指定，通常为AD的最高速率（本卡为400K，周期为2.5us,由8253的0通道决定），每完成一个采样组，即暂停下一段时间，这段时间由ADPara.GroupInterval参数决定，如下面的T1时间，它可以精确到1微秒，当这段时间一旦结束，即刻开始下一个采样组的转换，依次周而复始地进行。
启动信号
其中：
2.5us为触发A/D转换的周期（一般为本卡最高速率，即400KHz）。
此周期可以通过改变硬件参数ADPara.Frequency来实现，其单位为1Hz。
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，其单位为1微秒。
4、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
USB2002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，标志为“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。
第四章可编程定时/计数器8254编程描述
有关8254详细情况请参见8254技术手册或有关资料。
一、控制字
在使用8254内部计数器前，必须先向8254内部控制字寄存器写入控制字和写入计数器
置值。
控制字寄存器格式如下：
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
SC1
SC0
RL1
RL0
M2
M1
M0
BCD
各位定义如下：
BCD：
计数器计数方式选择，可采用二进制或BCD码。
M2、M1、M0：
计数器工作方式选择，可有六种工作方式，具体含义见下表。
BCD
计数类型
0
二进制计数
1
BCD码计数
M2
M1
M0
方式
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
2
0
1
1
3
1
0
0
4
1
0
1
5
SC1
SC0
选择计数器
0
0
计数器0
0
1
计数器1
1
0
计数器2
1
1
非法
RL1
RL0
操作类型
0
0
计数器锁存操作
0
1
只读/写低字节
1
0
只读/写高字节
1
1
先读/写低字节
后读/写高字节
RL1、RL0计数器读写操作长度选择，以决定对计数器进行装入或读出是双字节还是单字节。
SC1、SC0选择计数器0、1或2。
当对8254写入控制字后，就要给计数器赋初值了。
当控制字D0＝0时，即二进制计数，初值可在0000H～FF
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