The Application of Data Sampling System Based On USB Interface
ABSTRACT：During the production of coating, the thickness of coating is the key factor of the production quality. We have succeeded in calculating the reflectivity of coating by using the data sampling system which based on USB interface. Finally the result given by experiment shows that the sampling frequency is 110K/S and the sampling precision is 30.5μV. We can control the coating cycle conveniently and enhance the productivity greatly by using the application program.
Key Words: USB；UART;  Coating
摘要：在镀膜生产中，镀膜的厚度是镀膜质量的关键，利用自制的基于USB接口的数据采集系统成功实现了对镀膜反射率的计算，实验证明:该采集系统的采样频率为110K/S,采样精度为 30.5μV。通过良好的人机交互界面，方便地控制镀膜时间，极大提高了生产效率。
关键词：通用串行总线；异步串行通讯；镀膜

1 镀膜生产中测量反射率背景
在镀膜生产中，反射率是控制镀膜厚度的重要参考依据，目前大多数镀膜生产中都采用类似的方法测量薄膜反射率，最简单高效的方法是利用一个光源通过调制盘发出相位不同、频率相同的光信号，其中一路光信号S通过有待镀膜实体的反射和另一路原始光信号R进入单色仪，经光电倍增管，将光信号转换为电信号，在一路模拟信号中将频率相同的光电转换后的两路信号叠加，这时我们通过数据采集的手段，将两种光信号转换而来的电信号数字化，如果分别将S、R光信号生产的电压记做Vs、Vr，那么我们所关心的反射率就是Vs/Vr。通过分析折射率与时间的关系可以知道镀每一层膜是否完毕以及均匀情况。
2 设计方案介绍
2.1 系统总体介绍
基于以上对镀膜生产中关键参数的介绍，我们可以知道本系统重点在于对于有用信号Vs、Vr的提取、采集从而数字化，通过USB接口传送到PC中，从而完成对于数据的处理以及电压－时间关系曲线的直观显示。系统框图如图1所示： 
可以看到，整个系统以FPGA为控制核心，完成对AD转换、打包数据到USB端、串行数据的接收发送几部分的控制。在主机端，通过应用程序对采集系统进行操作，方便地控制镀膜的生产过程。
  

2.2 主要电子器件的选取
系统中FPGA选用Altera公司生产的Cyclone系列的EP1C12Q240C8，主要是由于该款器件的核心工作频率高达275MHz，而且I/O管脚丰富，价格合理。
AD转换芯片选用AD公司的AD7864，该款芯片AD转换精度为12位，电压输入范围是±10V/±5V，转换速度为130KSPS，性能完全满足系统的要求。
USB接口芯片采用了Cygnal公司的CP2101芯片，CP2101是一种高度集成的USB转UART桥接器，它包含有USB2.0全速功能控制器，由于速度快，体积小，在手机电路中应用广泛。应用在本系统不但可以满足传输速率的要求，而且节省板卡空间、降低成本。
2.3 系统工作原理
    基于以上对整体方案的介绍，利用AD公司的AD7864实现对运放处理后的模拟信号数字化，经由FPGA对AD7864进行控制以及AD转换数据的接收。考虑到AD7864转换的速度不高，转换后的数据量不大，因此决定利用USB接口将数据发送到PC端，同时利用串口作为备用接口以便实现和其他系统的数据传输。由于FPGA的优势在于时序方面控制的快速、灵活性，所以串口部分的接收和发送没有采用传统的利用串并转换芯片实现的方法，而是基于串口通信的原理，在FPGA内部编码实现串行数据的收发。
3 具体实现方法
系统的实现分为硬件设计以及软件编程两个部分，其中由于硬件结构比较简单，考虑到对模拟信号的放大以及滤波处理直接影响AD的转换效果而且电光转换后的R、S信号幅值较低，所以需要对信号进行放大以及滤波，在系统中采用二级放大电路，放大系数分别时8倍和10倍，两级放大对于信号的滤波以及微弱信号的检测都是有利的。
软件部分主要是包括FPGA逻辑代码，以及PC机主控程序，其中FPGA代码主要完成对数据的采集及其发送，主机端通过对FPGA传送的数据进行分析，最终通过良好的人机操作界面，实时显示电压－时间曲线，完成观察Vs/Vr比值，获取镀膜反射率的信息。以下给出具体的介绍：
3.1 FPGA 逻辑代码
    FPGA逻辑代码主要完成以下3个功能：
1．对AD7864的控制以及接收AD转换完毕的数据；
2．将数据打包发送到USB端以及串口端；
3．实现串口协议，完成串行数据的收发。
图2是FPGA内部逻辑代码的工作流程图：

由流程图可见：整个FPGA逻辑以AD采集为核心，初始化后控制AD的转换开启，由于AD7864转换精度是12位占用两个字节，而且对于电压的分析以及波形的显示都是在主 机端完成的，所以在FPGA中只需要对这两个字节进行打包，通过USB发送到主机中就可以了。
串口协议的实现：
在FPGA中，编写了实现串行数据的发送和接收的代码，主要是利用串行通讯的原理，通过主机端设置通讯波特率，FPGA获取USB接口传输的命令信息，以相应波特率发送和接收数据，从而完成数据的传输。
3.2  时序分析    
清楚地分析系统中的时序，是FPGA工作的基础，本系统工作时序图如图3所示：
图中StopFlag信号用来控制是否停止AD转换，这个命令是通过主机端设置的。当该信号有效时，FPGA产生CONVST信号启动AD转换，此时AD处于忙状态，EOC信号是AD7864四个模拟通道转换完毕产生的信号，当连续产生四个EOC下降沿信号后，表示AD转换完毕，这时，我们使得CS信号处于低电平表示选通AD7864，同时将四个通道转换完毕的电压值依次读出，当然在本系统只是用了一个AD通道，但是考虑到AD7864的工作原理以及日后对其他通道的使用，仍旧采用了读取四次的工作方式，当接收完毕AD转换的数据后，对接收的数据进行打包，发送到USB端，从而实现主机端数据的接收过程。

                              
3.3主机端程序
主机端采用VC编写了良好的人机界面，主要是完成对FPGA传送的电压值的计算，从一系列的电压数值中分离Vs、Vr的数值，并且实时显示Vs、Vr以及Vs/Vr几个变量的时间关系曲线，另外在主机端可以对串口通信的波特率以及是否停止AD转换等参数进行设置。另外根据镀膜生产中，积累的实验结果，可以在程序中对Vs、Vr以及Vs/Vr几个变量设定范围，当超出或者达到预计的数值时，给出提示，从而实现自动判断镀膜的均匀程度以及确定每一层膜的完成情况。
4 实验结果及其现实意义
本采集系统已经成功应用到实际镀膜生产中，该采集系统的采样频率为110K/S，采样精度为 30.5μV。通过观测实时显示的电压－时间关系曲线，参照应用程序给出的关于Vs、Vr以及Vs/Vr几个数值的提示信息，可以及时准确地获得镀膜状况，改变了以往利用人工读取电压表获得Vs、Vr得方法，大大提高了工作效率，从很大程度上提高了镀膜精度。

5 设计创新点
   本文作者创新点: 利用PC机控制本数据采集系统完成镀膜生产，通过PC机应用程序实时准确地控制镀膜的均匀性和时间，极大地提高了镀膜生产效率。数据采集系统采用FPGA准确地控制系统时序，利用USB接口完成PC机命令代码的发送以及对采集数据的接收，具有即插即用的灵活性以及传输的快速性，本系统应用于镀膜生产中是对传统镀膜方法的一次革新。
参考文献：
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[4]卓兴旺， 基于Verilog Hdl的数字系统应用设计. 北京：国防工业出版社2006.1

作者简介：张鹏（1979—），男，汉族，乌鲁木齐，中国人民解放军91550部队装备部测靶科，主要研究方向为测量与控制。
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