USB2005数据采集卡

1、USB2005USB2005 数据采集卡数据采集卡硬件使用说明书硬件使用说明书北京阿尔泰科技发展有限公司北京阿尔泰科技发展有限公司产品研发部修订产品研发部修订目目 录录 目 录 .1第一章 USB 简介 .2第二章 产品说明 .3第一节、性能和技术指标 .3一、性能 .3二、应用范围 .3三、技术指标 .3第二节、元件位置图及各种插座管脚定义 .4一、主要元件位置图 .4二、关于模拟输入引脚 37 芯插头 XS1 的管脚定义 .5三、于 20 芯插头 XS2 开关量输入的管脚定义 .7四、关于 20 芯插头 XS3 开关量输出的管脚定义 .7五、关于 4 芯插头 XS5 计数器管脚定义 .7第

2、三节、模拟信号的增益设置 .8第四节、短路套设置 .8第五节、寄存器数据格式 .8第六节、模拟信号输入连接方式 .9第四章 AD 数据采集原理 .11第一节、AD 工作模式：.11第二节、A/D 转换启动控制：.11第三节、板上转换定时器： .11第四节、FIFO 数据、状态：.12第五章 产品的应用、校准、保修 .13第一节、USB2005 演示系统的操作：.13第二节、注意事项 .13第三节、校准 .13一、A/D 校准 USB2005 按步骤校准放大器 .13二、A/D 转换器校准步骤.13第四节、保修 .13附录一 板卡及其机箱尺寸 .14第一节、USB2005 板外形尺寸:.14第二

3、节、USB2005 机箱（铝合金外壳）的尺寸：.14第一章第一章 USB 简介简介USB（UNIVERSAL SERIER BUS）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

4、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

5、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 USB20 版本中，其传输速度达到480Mbit。第二章第二章 产品说明产品说明第一节第一节、性能和技术指标、性能和技术指标一、性能一、性能模拟电压输入范围：10VA/D转换分辨率：16Bit ，32K

6、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、应用范围二、应用范围野外测控信号采集医疗设备三、技术指标三、技术指标USB 总线，支持 USB2.0 Full-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 1、模拟信号输入部分、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

7、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（AD976A AR）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：100M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 2、A/DA/D转换电路部分转换电路部分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

8、：100 KHz（ADS7805）/200 KHz（AD976A AR）转换时间：10 us（ADS7805）/5 us （AD976A AR）注： 以上技术指标未注明者均为典型值。3 3、开关量输入输出部分、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 2.6 mA。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

9、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POWER LED: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POWER LED

10、：与POWER LED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OVERFLOW LED：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OVERFLOW LED：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、关于模拟输入引脚二、关于模拟输入引脚37芯插头芯插头XS1的管脚定义的管脚定义 1 1、图表说明、图表说明注：全篇注：全篇GND即是即是DGND。2 2、表格说明、表格说明管脚号管脚号名称名称管脚功能管脚功能特性特性管脚号管脚号名称名称管脚功能管脚功能特性特性1CH31模拟信号输入

11、通道31IN20CH30模拟信号输入通道30IN2CH29模拟信号输入通道29IN21CH28模拟信号输入通道28IN3CH27模拟信号输入通道27IN22CH26模拟信号输入通道26IN4CH25模拟信号输入通道25IN23CH24模拟信号输入通道24IN5CH23模拟信号输入通道23IN24CH22模拟信号输入通道22IN6CH21模拟信号输入通道21IN25CH20模拟信号输入通道20IN7CH19模拟信号输入通道19IN26CH18模拟信号输入通道18IN8CH17模拟信号输入通道17IN27CH16模拟信号输入通道16IN9CH15模拟信号输入通道15IN28CH14模拟信号输入通道

12、14IN10CH13模拟信号输入通道13IN29CH12模拟信号输入通道12IN11CH11模拟信号输入通道11IN30CH10模拟信号输入通道10IN12CH9模拟信号输入通道9IN31CH8模拟信号输入通道8IN13CH7模拟信号输入通道7IN32CH6模拟信号输入通道6IN14CH5模拟信号输入通道5IN33CH4模拟信号输入通道4IN15CH3模拟信号输入通道3IN34CH2模拟信号输入通道2IN16CH1模拟信号输入通道1IN35CH0模拟信号输入通道0IN17AGND模拟地IN/OUT36AGND模拟地IN/OUT18EX_CLK外部时钟输入IN37TR外触发信号输入IN19DGN

13、D数字地IN/OUTCH0CH0CH31CH31：USB2005 A/D卡输入通道号（单端方式时）CH0CH0CH15CH15 ：双端模拟信号输入正端 （双端方式时）CH16CH16CH31CH31 ：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-

14、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_CLKEX_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。TRTR：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.TriggerSourc

15、e=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_ADAGNDAGND：模拟地DGNDDGND：数字地三、于三、于20芯插头芯插头XS2开关量输入的管脚定义开关量输入的管脚定义管脚号管脚号管脚名称管脚名称管脚定义管脚定义电气特性电气特性管脚号管脚号管脚名称管脚名称管脚定义管脚定义电气特性电气特性1DI0数字量输入通道 0 IN2DI1数字量输入通道 1 IN3DI2数字量

16、输入通道 2IN4DI3数字量输入通道 3IN5DI4数字量输入通道 4 IN 6DI5数字量输入通道 5 IN 7DI6数字量输入通道 6IN8DI7数字量输入通道 7IN9DI8数字量输入通道 8 IN10DI9数字量输入通道 9 IN11DI10数字量输入通道 10IN12DI11数字量输入通道 11IN13DI12数字量输入通道 12 IN14DI13数字量输入通道 13 IN15DI14数字量输入通道 14IN16DI15数字量输入通道 15IN17DGND数字地IN/OUT18DGND数字地IN/OUT19DGND数字地IN/OUT20DGND数字地IN/OUTDI0DI0DI15

17、DI15：为开关量输入DGNDDGND：数字地四、关于四、关于20芯插头芯插头XS3开关量输出的管脚定义开关量输出的管脚定义管脚号管脚号管脚名称管脚名称管脚定义管脚定义电气特性电气特性管脚号管脚号管脚名称管脚名称管脚定义管脚定义电气特性电气特性1D00数字量输出通道 0 IN2DO1数字量输出通道 1 IN3D02数字量输出通道 2IN4DO3数字量输出通道 3IN5D04数字量输出通道 4 IN 6DO5数字量输出通道 5 IN 7D06数字量输出通道 6IN8DO7数字量输出通道 7IN9D08数字量输出通道 8 IN10DO9数字量输出通道 9 IN11D010数字量输出通道 10IN1

18、2DO11数字量输出通道 11IN13D012数字量输出通道 12 IN14DO13数字量输出通道 13 IN15DO14数字量输出通道 14IN16DO15数字量输出通道 15IN17DGND数字地IN/OUT18DGND数字地IN/OUT19DGND数字地IN/OUT20DGND数字地IN/OUTDO0DO0DO15DO15：为开关量输出DGNDDGND：数字地五、关于五、关于4芯插头芯插头XS5计数器管脚定义计数器管脚定义管脚号管脚号管脚定义管脚定义1CLK2OUT3GATE4DGNDCLKCLK、OUTOUT、GATEGATE：分别为8254定时/计数器的供用户使用的一组管脚DGNDD

19、GND：数字地注：关于8254的编程资料见定时计数器8253_4文档。第三节第三节、模拟信号的增益设置、模拟信号的增益设置USB2005 A/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。第四节第四节、短路套设置、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

20、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。 单端输入方式： XF2 XF1 双端输入方式： XF2 XF1第五节第五节、寄存器数据格式、寄存器数据格式A/D转换结果寄存器各位定义如下：D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0AD15AD14AD13AD12AD11AD10AD9 AD8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0AD0AD15：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:输入输入A/D结果编码结果编码(

21、 (二进制二进制) )A/D结果编码结果编码( (十六进制十六进制) )A/D结果编码结果编码( (十进制十进制) )正满度1111 1111 1111 1111FFFF65535正满度1LSB1111 1111 1111 1110FFFE65534中间值+1LSB1110 0000 0000 0001800132769中间值（零点）1000 0000 0000 0000800032768中间值1LSB0111 1111 1111 11117FFF32767负满度+1LSB0000 0000 0000 000100011负满度0000 0000 0000 000000000第六节第六节、模拟信

22、号输入连接方式、模拟信号输入连接方式一、单端输入方式一、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CH0CH31端，其公共地连接到AGND端。连接方式如下图：二、双端输入方式：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CH0CH15端，其模拟输入信号负端接到CH16CH31端，并在距离XS1插座近处，在负端与AGND端各接一只几十K至几百K的电阻（当现场信号源内阻小于100时，该电阻应为现场信号

23、源内阻的1000倍；当现场信号源内阻大于100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：第四章第四章 AD 数据采集原理数据采集原理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、第一节、ADAD 工作模式：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

24、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

25、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

26、*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、第二节、A/DA/D 转换启动控制：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

27、器：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

28、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、第四节、FIFOFIFO 数据

29、、状态：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

30、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。第五章第五章 产品的应用、校准、保修产品的应用、校准、保修第一节、第一节、USB2005USB2005 演示系统的操作：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