USB2014数据采集卡

1、 USB2014数据采集卡使用说明书北京阿尔泰科技发展有限公司USB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？第一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

2、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。 第二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

3、。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。第三USB传输数据的速度非常快，达到12MBIT，而在新发行的USB20版本中，其传输速度居然达到480Mbit。 第一章 概 述USB2014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

4、等特点，因此是便携式系统用户的最佳选择。USB2014板上装有16Bit分辨率的A/D、DA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,一路模拟信号输出。 USB2014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：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16位D/A转换器, 建立时间10us。2、应用野外测控信号采集医疗设备3、 技术指标 USB总线，支

5、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。 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，USB2014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：2uSA/D转换电路部分A/D分辨率：16Bit(65

6、536)非线性误差：1LSB(最大)系统测量精度(满量程)：0.1%采样速率：100 KHz（ADS7805）/200 KHz（AD976A AR）转换时间：10 us（ADS7805）/20 us （AD976A AR）系统测量精度(满量程)：0.01%D/A转换电路部分 输出通道数：1路 模拟输出电压范围：05V、5V、010V、10V D/A分辨率：16BIT(65536) D/A建立时间：10S(0.005%精度) 输出阻抗：0.2 通道建立时间：典型为10s 总误差：不大于0.05%FSR预热时间：5分钟注： 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、1

7、6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：0.5V5、 USB2014板外形尺寸:137.16006mm * 114.427m 6、USB2014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

8、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RP3：A/D零点调整电位器RP4：A/D满度调整电位器RP5：D/A参考电压调整电位器（XF6的3脚为-2.500V） D/A输出电压零点调整电位器RP6：DA满度调整电位器XF1、XF2：模拟电压输入单端、双端选择XF3、XF9：内外时钟选择XF4、XF9出厂时为固定连接，用户不要改变。XF5、XF6、XF7 、XF8为D/A模拟输出范围选择。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POWER LED:USB2014卡电源指示灯，USB2014与计算机通

9、过USB带缆连接后，此指示灯应亮第二个POWER LED：与POWER LED并联联接，当将USB2014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USB2014卡上FIFO存储器“全满”指示灯亮时，说明USB2014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37芯插头XS1的管脚定义 (1).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1CH31模拟信号输入通道31IN20CH30模拟信号输入通道30IN2CH29模拟信号输入通道29IN21CH28模拟

10、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14IN10CH13模拟信号输入通道13IN29CH12模拟信号输入通道12IN11CH11模拟信

11、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IN36AGND模拟地IN18TR外触发信号IN37AGND模拟地IN19DA0模拟信号输出通道0OUTCH00CH31：USB2014 A/D卡输入通道号（单端方式时） CH00CH15 ：双端模拟信号输入

12、正端 （ 双端方式时）CH16CH31 ：双端模拟信号输入负端 （双端方式时） DA0:模拟量输出（19脚）在调用InitDeviceAD初始化AD过程中，若用户置硬件参数ADPara.GroundingMode为USB2014_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USB2014_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,CH16CH0CH8,CH24CH8CH1,CH17CH1 CH9,CH25CH9CH2,CH18CH2CH10,CH26

13、CH10CH3,CH19CH3CH11,CH27CH11CH4,CH20CH4CH12,CH28CH12CH5,CH21CH5CH13,CH29CH13CH6,CH22CH6CH14,CH30CH14CH7,CH23CH7CH15,CH31CH15TR：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USB2014_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USB2014_OUT_TRIGGER常量时，该管脚信号才有效。此时，当TR管

14、脚上的信号出现了上升沿（即由低至高的变化）时，USB2014 A/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：数字地二、 关于50芯插头XS2的管脚定义 DI0DI15为开关量输入DGND：数字地DO0D

15、O15为开关量输出DGND：数字地CLK2、OUT2、GATE2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USB2014_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USB2014_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 2、 D/A模拟信号输出范围选择及

16、DA输出路数选择1）、D/A模拟信号输出范围选择 在USB2014板上，D/A模拟输出范围可选择单极性05V、010V输出，或选择双极性5V、10V输出，通过跳线XF5、XF6、XF8可进行选择，跳线设置可按下表进行选择。其中XF5、XF6 选择DA是单极性05V、010V输出或双极性5V、10V输出；XF5选择DA的模拟信号输出量程。 输出范围XF5 、 XF6XF8 05V 010V 5V+5V 10V+10V D/A模拟信号输出范围选择XF7：DA复位方式选择。1-2脚跨接为负满度复位，2-3脚跨接为零点复位。 DA是单极性05V、010V输出(1、2连)或双极性5V、10V输出(2、3

17、连)上电清零选择3、内外时钟选择内外时钟选择由XF3和XF9完成，如下表：XF3XF9外时钟内时钟4、A/D转换结果寄存器： A/D转换结果寄存器各位定义如下：D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0AD15AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0其中：AD0AD15：为A/D转换结果的16位数据， USB2014板双极性模拟信号输入时的结果数据格式如下表所示：输入A/D结果编码原始码(十六进制)原始码(十进制)电压mV正满度0111 1111 1111 11117FFF32767+9999.69正

18、满度1LSB0111 1111 1111 11107FFE32766+9999.38中间值+1LSB0000 0000 0000 000100011+0.3052中间值（零点）0000 0000 0000 0000000000中间值1LSB1111 1111 1111 1111FFFF-1-0.3052负满度+1LSB1000 0000 0000 00018001-32767-9999.69负满度1000 0000 0000 00008000-32768-10000.005、DA转换结果寄存器： USB2014板为双极性电压输出时数据格式如下表所示：输出D/A数据编码原码(十六进制)原码(十进

19、制)正满度1111 1111 1111 1111FFFF65535正满度1LSB1111 1111 1111 1110FFFE65534中间值+1LSB1000 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 USB2014板为单极性电压输出时的数据格式如下表所示：输出D/A结果编码原码(十六进制)原码(十进制)正满度1111 1111 1

20、111 1111FFFF65535正满度1LSB1111 1111 1111 1110FFFE65534中间值1000 0000 0000 0000800032768零点+1LSB0000 0000 0000 000100011零点0000 0000 0000 000000000七、模拟输入信号的连接方式71 单端输入方式： USB2014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CH00CH31端，其公共地连接到AGND端。图7.1单端输入方式，主要应用在噪声干扰不高的场合72双端输入方式：USB2014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

21、信号，提高采集精度。8路模拟输入信号正端接到CH00CH15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。图7.2第三章 工作原理 USB2014AD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

22、，最后经USB2014卡的USB系统将AD数据送入计算机。1、AD工作模式： USB2014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，

23、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

24、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 = 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）。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

25、始、终止通道逐一通道顺序、循环转换。3、板上转换定时器：USB2014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USB2014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），

26、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：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。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

27、存放，如下： FirstChannel, FirstChannel+1 ,., LastChannel.FirstChannel,.,LastChannel,结束USB2014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

28、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：D7D6D5D4D3D2D1D0SC1SC0RL1RL0M2M1M0BCD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1BCD码计数M2M1M0方式000000110102011310041015SC1SC0选择计数器00计数器001计数器110计数器211非法RL1RL0操作类型00计数器锁存操作01只读/

29、写低字节10只读/写高字节11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D00时，即二进制计数，初值可在0000HFFFFH之间选择，当控制字D01时，则装入计数器的初值应选十进制方式，其值可在00009999十进制数之间选择，但无论何种计数方式，当初值为0000时，计数器的计数值最大。二、工作方式 对8254的读写操作 当写入方式0控制字后，计数器输出立即变成低电平，当赋初值后，计数器马上开始计数，并且输出一直保持低电平，当计数

30、结束时变成高电平，并且一直保持到重新装入初值或复位时为止。当控制字中D5D411时，在写入低字节后计数器还不计数，当写入高字节后，计数器才开始计数，如果对正在做计数的计数器装入一个新值，则计数器又从新装入的计数值开始，重新作减量计数。可用门控端GATE控制计数，当GATE0时，禁止计数，当GATE1时，允许计数。 方式1可编程单次脉冲方式 该方式要在门控信号GATE作用下工作。当装入计数初值N之后，要等GATE由低变高，并保持高时开始计数，此时输出OUT变成低电平，当计数结束时，输出变成高电平，即输出单次脉冲的宽度由装入的计数初值N来决定。当计数器减量计数未到零时，又装入一个新的计数值N1，则

31、这个新值，不会影响当前的操作，只有原计数值减到零且有一个GATE上升沿时，计数器才从N1开始计数。如当前操作还未完，又有一次GATE上升沿时，则停止当前计数，又重新从N1开始计数，这时输出单次脉冲就被加宽。 方式2频率发生器方式 在该方式下，计数器装入初始值，开始工作后，输出端将不断输出负脉冲，其宽度等于一个时钟周期，两负脉冲间的时钟个数等于计数器装入的初始值。在方式2中门控信号相当于复位信号，当GATE0时，立即强迫输出为高电平，当GATE1时，便启动一次新的计数周期，这样可以用一个外部控制逻辑来控制GATE，从而达到同步计数的作用。当然计数器也可以用软件控制GATE而达到同步控制目的。 方

32、式3方波频率发生器方式与方式2类似，当装入一个计数器初值N后，在GATE信号上升沿启动计数，定时/计数器此时作减2计数，在完成前一半计数时，输出一直保持高电平，而在进行后一半计数时，输出又变成低电平。若装入的数N为奇数，则在（N1）/2个计数期间，输出保持高电平。在（N1）/2个计数期间，输出保持低电平。若在一次计数期间，将一个新的初值装入计数器，那么在当前的计数发生跳变时，计数器马上又按新的计数开始计数。 方式4软件触发选通方式 用控制字设置该方式后，输出即变为高电平，在GATE1时，计数器一旦装入初值，便马上开始计数，每当计数结束，便立即在输出端送出一个宽度等于一个时钟周期的负脉冲。如果在

33、一次计数期间，装入了一个新的计数值。则在当前的计数结束，送出负脉冲后，马上以这个新的计数开始计数。在GATE0时，禁止计数，这些均与方式2同，但这不是用GATE的上升沿来启动计数的。 方式5硬件触发选通方式 当采用该方式工作时，在GATE信号的上升沿启动计数器开始计数，输出一直保持高电平，当计数结束时，输出一个宽度等于时钟周期的负脉冲。在此种方式下，GATE是高电平或低电平都不再影响计数器工作。但计数操作可用GATE信号的上升沿重新触发，便又从原来的初值开始计数，计数期间，输出又一直保持高电平。在上述六种工作方式中，GATE信号均起作用，现将GATE信号的作用列于表中：GATE低电平或下降沿上

34、升沿高电平方式0禁止计数无作用允许计数方式1无作用启动计数，下一时钟后输出变低无作用方式2禁止计数并输出为高启动计数允许计数方式3禁止计数并输出为高启动计数允许计数方式4禁止计数无作用允许计数方式5无作用启动计数无作用注意：8254的每个定时/计数器在所有操作方式下，均不能设置初值为“”，否则定时/计数器将停止计数及计数输出。第五章 USB2014 A/D、D/A卡的应用、校准、保修一、USB2014演示系统的操作： 请见本公司软件说明书的USB部分。 二、 用注意事项 在公司售出的产品包装中，用户将会找到这本说明书和USB2014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USB2014板时，应注意以下问题：1、 USB2014板正面的IC芯片不要用手去摸，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。 三、校准 USB2014板出厂时已经校准，只有当用户使用一段时间后，或者用户认为需要时才做校准。准备一块5位半精度以