数字数据采集卡

引言

数据采集卡从外部系统采集数据。采集卡可以采集模拟或数字数据。模拟卡将模拟数据转换为数字数据，以便计算机能够理解。数字数据采集卡以数字格式采集数据，然后以计算机可理解的格式将数据传输到计算机。

数字数据采集卡是一种适配器，它将特定外部系统的数据转换为计算机可以读取的格式。在本文中，我将解释一种通用的数字原始格式，然后解释数据采集卡的设计，接着是数据格式的类型，最后是数据采集软件。

数字数据格式

最常见的数字系统输出数据和一个同步时钟。数据位要么在时钟的上升沿存在，要么在时钟的下降沿存在。时钟决定了数据速率。如果时钟是900 KHz，那么数据速率是900Kbps。

让我们考虑以下比特流

10001010101000010 

在这个比特流中，有17个比特，每个比特代表1或0。读取这个比特流时，无法确定数据字节在哪里，或者哪个位置是数据字节的第一个比特。它可能存在于第一个位置，也可能存在于第2^个或第6^个位置。为了找到那个字节的位置，我们在数据中搜索一个称为帧同步（Frame Sync）或更简单的说起始字（starting word）的字节流。找到帧字之后，我们就知道了帧中字节的第一个比特的位置。这个寻找第一个帧字节位置的过程称为帧同步。

什么是帧？帧是数据比特的集合。有时，您可能听说过数据包（packet）。基于数据包和基于帧的通信非常相似。与基于帧的通信相比，基于数据包的通信更复杂、更灵活，因为数据包提供了更多的数据检查和错误检测选项。

在继续之前，让我们看看帧的样子。例如，让我们考虑一个帧块

111111011111001000000001100010010000001101000101 
111111011111001010010000100010000100101000010010
111111011111001001111000000101010010100101000100

这是以下十六进制值的二进制表示

FD F2 01 89 03 45  
FD F2 90 88 4a 12 
FD F2 78 15 29 44  

这里 FD F2 是帧同步，其他4个字节是数据字节。如果您在任何字节的中间开始采集数据，就无法读取正确的数据流。例如

11111101 1111001000000001100010010000001101000101

这里您的系统从上面高亮显示的瞬间开始读取数据。正如您所看到的，您读取的第一个8位或字节不是您需要的正确比特，因为这里第一个8位或1个字节包含来自2个不同字节的部分信息。为了解决这个问题，我们首先找到帧同步，然后读取数据字节。这个过程称为帧同步。

帧同步

帧同步可以通过向数据中发送一个已知字来完成。接收系统在数据流中检查帧同步，当它找到帧同步时，接收系统就会正确地组织传入的数据。

根据我的经验，我见过一个数据采集卡，它既采集数据，又进行帧同步，然后将数据发送到PC端口。在该卡中，帧同步在卡的微控制器上完成。在这种方法中，数据速率受限于微控制器的速度和其他因素（如PC接口技术）的能力。

普通的微控制器无法实现大于1Mbps的数据传输速率。因此，在这种设计中，微控制器成为设计的瓶颈。这是使用板载微控制器进行帧同步的一个缺点。使用板载帧同步的另一个缺点是，如果帧同步发生变化，就需要修改板载帧同步逻辑。此外，卡可以处理的数据速率将是固定的，我们无法在不改变卡设计或微控制器代码的情况下更改数据速率。为了解决这些问题，我设计了一款数字数据采集卡和数字数据采集软件。

数字数据采集卡设计

为了解决板载帧同步的问题，我将帧同步的逻辑从卡转移到了PC软件。在卡级别，我只接收数据和时钟，并将它们写入PC接口。PC软件接收数据并在其中找到帧，然后处理所有帧。帧同步在PC软件内部完成。在帧同步之后，它搜索帧并从原始数据中解码帧。对于PC接口，我使用了FTDI USB模块。这个USB模块接收并行8位数据，并将该数据写入PC USB端口。

让我们看一下数字数据采集卡设计框图

如上图所示，我使用了1/8分频器向USB模块发送写选通信号，并使用串行转并行转换器将并行数据写入FTDI USB模块。

此设计使我能够以不同的数据速率采集数据。唯一的限制因素是USB模块，它可以传输大约8Mbps的数据。因此，使用此设计，我可以采集从1kbps到8Mbps的数据。

此外，数据速率限制取决于接口而不是卡设计，因此我可以实现FTDI USB模块支持的最高速度，即8Mbps。较新的模块支持更高的数据速率，您可以简单地开始使用较新的模块，而无需更改卡的太多设计。我使用了FTDI UM245R开发模块。它是一个并行转USB模块，并利用FIFO通信。因此，PC应用程序更容易处理数据。

此设计的另一个好处是它是可配置的，这意味着如果数据速率、帧格式、帧大小或帧同步发生任何变化，此卡的*设计*将不会改变。我们可以通过PC软件更改这些参数或选项。

此外，如果电流要求低于500mA，我们可以从USB的总线电源驱动电路。由于我们不使用任何微控制器或其他需要更多电源的IC，我们可以从USB总线电源驱动我们的电路，因此无需额外的外部电源，并且卡设计变得非常便携。

卡的电路图

下面是电路的原理图。我使用了光耦合器将外部系统与我们的采集卡隔离，而其他功能与框图描述中的功能相同。

这是文本。

PC软件

PC应用程序可以通过两种方式访问设备；一种是使用VCP驱动程序，另一种是使用D2XX驱动程序。在VCP中，我们将USB配置为虚拟串行端口。在虚拟串行端口模式下，数据速率为220Kbytes/sec，而在D2XX驱动程序模式下，数据速率为1Mbytes/sec。

我们使用.NET和C#来处理USB数据。在虚拟串行端口模式下，设备就像一个串行端口一样工作，我们使用.NET框架的SerialPort类来访问数据。如果我们想使用D2XX驱动程序，FTDI提供了一个包装器来访问USB端口。

软件设计中的一个主要挑战是在数据字节中找到帧同步。由于帧同步可以从字节内的任何比特位置开始；我们必须重新排列所有数据，将帧同步的起始比特放在字节的起始比特位置。这种定向对于实时显示和数据处理是必要的。PC软件的描述将在另一篇文章中讨论。

结论

在本文中，我讨论了数字数据采集卡的设计及其与其他设计的优势。我在我的许多项目中都使用了这张卡，而且它工作得非常好。