USB2005数据采集卡

USB2005数据采集卡

硬件使用说明书

北京阿尔泰科技发展有限公司

产品研发部修订

北京阿尔泰科技发展有限公司 硬件说明书V6.20

目 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 第二节、USB2005机箱（铝合金外壳）的尺寸： ........................................ 14

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第一章 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？

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。

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USB2．0版本中，其传输速度达到480Mbit。

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第二章 产品说明

第一节、性能和技术指标

一、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

·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 ·野外测控 ·信号采集 ·医疗设备

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、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（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：100MΩ ·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、A/D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：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。

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3、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

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

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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：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37芯插头XS1的管脚定义

1、图表说明

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注：全篇GND即是DGND。

2、表格说明 管脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 名称 CH31 CH29 CH27 CH25 CH23 CH21 CH19 CH17 CH15 CH13 CH11 CH9 CH7 CH5 CH3 CH1 AGND EX_CLK DGND 管脚功能 模拟信号输入通道31 模拟信号输入通道29 模拟信号输入通道27 模拟信号输入通道25 模拟信号输入通道23 模拟信号输入通道21 模拟信号输入通道19 模拟信号输入通道17 模拟信号输入通道15 模拟信号输入通道13 模拟信号输入通道11 模拟信号输入通道9 模拟信号输入通道7 模拟信号输入通道5 模拟信号输入通道3 模拟信号输入通道1 模拟地 外部时钟输入 数字地 特性 IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN/OUT IN IN/OUT 管脚号 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 名称 CH30 CH28 CH26 CH24 CH22 CH20 CH18 CH16 CH14 CH12 CH10 CH8 CH6 CH4 CH2 CH0 AGND TR 管脚功能 模拟信号输入通道30 模拟信号输入通道28 模拟信号输入通道26 模拟信号输入通道24 模拟信号输入通道22 模拟信号输入通道20 模拟信号输入通道18 模拟信号输入通道16 模拟信号输入通道14 模拟信号输入通道12 模拟信号输入通道10 模拟信号输入通道8 模拟信号输入通道6 模拟信号输入通道4 模拟信号输入通道2 模拟信号输入通道0 模拟地 外触发信号输入 特性 IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN IN/OUT IN

CH0～CH31：USB2005 A/D卡输入通道号（单端方式时） CH0～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0-15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_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。

TR：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.TriggerSource=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_AD AGND：模拟地

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DGND：数字地

三、于20芯插头XS2开关量输入的管脚定义 管脚号 管脚名称 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 DI0 DI2 DI4 DI6 DI8 DI10 DI12 DI14 DGND DGND 管脚定义 数字量输入通道0 数字量输入通道2 数字量输入通道4 数字量输入通道6 数字量输入通道8 数字量输入通道10 数字量输入通道12 数字量输入通道14 数字地 数字地 电气特性 管脚号 管脚名称 IN IN IN IN IN IN IN IN IN/OUT IN/OUT 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 DI1 DI3 DI5 DI7 DI9 DI11 DI13 DI15 DGND DGND 管脚定义 数字量输入通道1 数字量输入通道3 数字量输入通道5 数字量输入通道7 数字量输入通道9 数字量输入通道11 数字量输入通道13 数字量输入通道15 数字地 数字地 电气特性 IN IN IN IN IN IN IN IN IN/OUT IN/OUT DI0～DI15：为开关量输入 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 管脚名称 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 D00 D02 D04 D06 D08 D010 D012 DO14 DGND DGND 管脚定义 数字量输出通道0 数字量输出通道2 数字量输出通道4 数字量输出通道6 数字量输出通道8 数字量输出通道10 数字量输出通道12 数字量输出通道14 数字地 数字地 电气特性 管脚号 管脚名称 IN IN IN IN IN IN IN IN IN/OUT IN/OUT 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 DO1 DO3 DO5 DO7 DO9 DO11 DO13 DO15 DGND DGND 管脚定义 数字量输出通道1 数字量输出通道3 数字量输出通道5 数字量输出通道7 数字量输出通道9 数字量输出通道11 数字量输出通道13 数字量输出通道15 数字地 数字地 电气特性 IN IN IN IN IN IN IN IN IN/OUT IN/OUT

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 1 2 3 4 管脚定义 CLK OUT GATE DGND 7

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CLK、OUT、GATE：分别为8254定时/计数器的供用户使用的一组管脚 DGND：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、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、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。

① 单端输入方式：

XF2

XF1

② 双端输入方式：

XF2

XF1

第五节、寄存器数据格式

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 AD1AD1AD1AD1AD1AD1AD9 AD8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 5 4 3 2 1 0 AD0～AD15：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:

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输入 A/D结果编码(二进制) 1111 1111 1111 1111 正满度 1111 1111 1111 1110 正满度－1LSB 1110 0000 0000 0001 中间值+1LSB 中间值（零点） 1000 0000 0000 0000 0111 1111 1111 1111 中间值－1LSB 0000 0000 0000 0001 负满度+1LSB 0000 0000 0000 0000 负满度

A/D结果编码(十六进制) A/D结果编码(十进制) FFFF 65535 FFFE 65534 8001 32769 8000 32768 7FFF 32767 0001 1 0000 0 第六节、模拟信号输入连接方式 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CH0～CH31端，其公共地连接到AGND端。连接方式如下图：

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CH0～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。连接方式如下图：

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第四章 AD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、AD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*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、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。

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

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北京阿尔泰科技发展有限公司 硬件说明书V6.20 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、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

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。

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第五章 产品的应用、校准、保修

第一节、USB2005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

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，后开信号源的电源；先关信号源的

电源，后关主机电源。

第三节、校准

USB2005板出厂时已经时按±5V校准，只有当用户使用一段时间后，需要做校准。准备一块5位半精度以上数字电压表，安装好USB2005，打开主机电源，预热15分种。

一、A/D校准USB2005按～步骤校准放大器

 选模拟输入的任意一个通道，比如CH0通道，将CH0通道输入接0伏电压,在WINDOWS下运行USB2005测试程序,选择0通道、程控增益为1（与硬件设置相同），屏幕为单通道显示（即只采集0通道），开始采集后，调整电位器RP1，使N6(PGA202/203)的第11、12脚对地电压为0.000V。

选模拟输入的任意一个通道，比如CH1通道，CH1接正满度电压5.000V，在WINDOWS下运行USB2005测试程序,选择1通道、程控增益为1（与硬件设置相同），屏幕为单通道显示（即只采集1通道），开始采集后，调整电位器RP2,使N6(PGA202/203)的第12脚对地电压为10.000V。  重复步骤，直到满足要求为止。然后进行下一步。

二、A/D转换器校准步骤

选择任意两个通道，如CH0、CH1，分别接0V、5.000V电压，在WINDOWS下运行USB2005测试程序,选择0、1通道、程控增益为1（与硬件设置相同），屏幕为双通道显示（即只采集0、1通道），开始采集后，先调整电位器RP3（调零），使屏幕显示的CH0通道的电压值（A/D转换后采集的电压值）0V。然后调整电位器RP4（调满度）, 使屏幕显示的CH1通道的电压值（A/D转换后采集的电压值）9.9993V.反复调整RP3、 RP4,直到满足要求为止。

第四节、保修

USB2005自出厂之日起，两年内，凡用户遵守运输，贮存和使用规则，而质量低于产品标准者公司免费修理。

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附录一 板卡及其机箱尺寸

第一节、USB2005板外形尺寸:

137.16006mm × 114.427mm

注：四个定位孔到各边的距离都是相等的

第二节、USB2005机箱（铝合金外壳）的尺寸：

147mm （长）× 122mm（宽）× 60mm(高)

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