ACTRLRUN USB2014 数据采集板

第二章 元件位置图、信号插座、跳线和数据定义

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：内外时钟选择(1、2连外时钟，2、3连内时钟)
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).图象说明
(2).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
1 CH31 模拟信号输入通道31 IN 20 CH30 模拟信号输入通道30 IN
2 CH29 模拟信号输入通道29 IN 21 CH28 模拟信号输入通道28 IN
3 CH27 模拟信号输入通道27 IN 22 CH26 模拟信号输入通道26 IN
4 CH25 模拟信号输入通道25 IN 23 CH24 模拟信号输入通道24 IN
5 CH23 模拟信号输入通道23 IN 24 CH22 模拟信号输入通道22 IN
6 CH21 模拟信号输入通道21 IN 25 CH20 模拟信号输入通道20 IN
7 CH19 模拟信号输入通道19 IN 26 CH18 模拟信号输入通道18 IN
8 CH17 模拟信号输入通道17 IN 27 CH16 模拟信号输入通道16 IN
9 CH15 模拟信号输入通道15 IN 28 CH14 模拟信号输入通道14 IN
10 CH13 模拟信号输入通道13 IN 29 CH12 模拟信号输入通道12 IN
11 CH11 模拟信号输入通道11 IN 30 CH10 模拟信号输入通道10 IN
12 CH9 模拟信号输入通道9 IN 31 CH8 模拟信号输入通道8 IN
13 CH7 模拟信号输入通道7 IN 32 CH6 模拟信号输入通道6 IN
14 CH5 模拟信号输入通道5 IN 33 CH4 模拟信号输入通道4 IN
15 CH3 模拟信号输入通道3 IN 34 CH2 模拟信号输入通道2 IN
16 CH1 模拟信号输入通道1 IN 35 CH0 模拟信号输入通道0 IN
17 AGND 模拟地 IN 36 AGND 模拟地 IN
18 AGND 模拟地 IN 37 TR 外触发信号 IN
19 DGND 数字地 IN

CH00～CH31：USB2014 A/D卡输入通道号（单端方式时）
CH00～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,CH16 CH0 CH8,CH24 CH8
CH1,CH17 CH1 CH9,CH25 CH9
CH2,CH18 CH2 CH10,CH26 CH10
CH3,CH19 CH3 CH11,CH27 CH11
CH4,CH20 CH4 CH12,CH28 CH12
CH5,CH21 CH5 CH13,CH29 CH13
CH6,CH22 CH6 CH14,CH30 CH14
CH7,CH23 CH7 CH15,CH31 CH15

TR：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管脚上的信号出现了上升沿（即由低至高的变化）时，USB2014A/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
　
DI0～DI15为开关量输入
DGND：数字地
DO0～DO15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
① 单端输入方式：
XF2
XF1
②双端输入方式
XF2
XF1
2 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0～5V、0～10V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0～5V、0～10V输出或双极性±5V、±10V输出；XF5选择DA的模拟信号输出量程。
D/A模拟信号输出范围选择
输出范围 XF5、XF6 XF8
0～5V
0～10V
－5V～+5V
－10V～+10V

XF7选择DA是单极性0～5V、0～10V输出(1、2连)或双极性±5V、±10V输出(2、3连)上电清零选择
3、A/D转换结果寄存器：
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
AD15 AD14 AD13 AD12 AD11 AD10 AD9 AD8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1AD0

其中：AD0～AD15：为A/D转换结果的16位数据，它的具体定义如下表。
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 1111 7FFF 32767 +9999.69
正满度－1LSB 0111 1111 1111 1110 7FFE 32766 +9999.38
中间值+1LSB 0000 0000 0000 0001 0001 1 +0.3052
中间值（零点） 0000 0000 0000 0000 0000 0 0
中间值－1LSB 1111 1111 1111 1111 FFFF -1 -0.3052
负满度+1LSB 1000 0000 0000 0001 8001 -32767 -9999.69
负满度 1000 0000 0000 0000 8000 -32768 -10000.00

3、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(十进制)
正满度 1111 1111 1111 1111 FFFF 65535
正满度－1LSB 1111 1111 1111 1110 FFFE 65534
中间值+1LSB 1000 0000 0000 0001 8001 32769
中间值（零点） 1000 0000 0000 0000 8000 32768
中间值－1LSB 0111 1111 1111 1111 7FFF 32767
负满度+1LSB 0000 0000 0000 0001 0001 1
负满度 0000 0000 0000 0000 0000 0

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 1111 1111 FFFF 65535
正满度－1LSB 1111 1111 1111 1110 FFFE 65534
中间值 1000 0000 0000 0000 8000 32768
零点+1LSB 0000 0000 0000 0001 0001 1
零点 0000 0000 0000 0000 0000 0

七、模拟输入信号的连接方式
7．1 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CH00～CH31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
7．2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信号，提高采集精度。8路模拟输入信号正端接到CH00～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。
图7.2双端输入方式，主要应用在噪声干扰高的场合

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，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，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），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：
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
SC1 SC0 RL1 RL0 M2 M1 M0 BCD

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
1 BCD码计数
M2 M1 M0 方式
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 2
0 1 1 3
1 0 0 4
1 0 1 5

SC1 SC0 选择计数器
0 0 计数器0
0 1 计数器1
1 0 计数器2
1 1 非法

RL1 RL0 操作类型
0 0 计数器锁存操作
0 1 只读/写低字节
1 0 只读/写高字节
1 1 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D0＝0时，即二进制计数，初值可在0000H～FFFFH之间选择，当控制字D0＝1时，则装入计数器的初值应选十进制方式，其值可在0000～9999十进制数之间选择，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D5D4＝11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GATE＝0时，禁止计数，当GATE＝1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GATE＝0时，立即强迫输出为高电平，当GATE＝1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（N＋1）/2个计数期间，输出保持高电平。在（N－1）/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GATE＝1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GATE＝0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“１”，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位半精度以上数字电压表，安装好USB2014，打开主机电源，预热15分种。
3.1、 A/D校准
1）选模拟输入的任两个通道，比如CH0、CH1通道，将CH0通道输入接0伏电压,CH1接正满度电压9999.70毫伏，在WINDOWS下运行USB2014测试程序,选择0通道、程控增益为1，屏幕为单通道显示（即只采集0通道），键入ESC键，采集程序开始采集后，调整电位器RP1，使N6（PGA202）的第11、12脚对地电压为0.000V。选择1通道、程控增益为1，屏幕为单通道显示（即只采集1通道），键入ESC键，采集程序开始采集后，调整电位器RP2，使N6（PGA202）的第11、12脚对地电压为9999.70V。重复以上步骤，直到满足要求为止
2）在Windows下运行USB2014测试程序，选择0、1通道，调整RP3（调零）使CH0通道的采样值在FFFFH～00000H之间的变化，调整RP4（调满度）使CH1通道的值在7FFFH～7FFE之间变化，反复调整RP3、RP4直到满足为止。
3）如果放大器增益大于1,在程控增益栏内键入相应值(参照本公司软件说明书的USB部分),CH1通道也要接入相应的满度电压。
3.2、 D/A校准
在进行校准前请对D/A模拟信号输出范围选择:
（一） 双极性输出的校准
将数字电压表的地线与37芯D型插头XS1中的任意模拟地(AGND)相
接,电压表的输入端与需要校准的DA通道相连接。
1） 在Windows下运行USB2014测试程序，选择菜单文件操作下的D/A输出检
测，根据需要校准的通道选择相应的手动单点输出。
2） 将D/A输出设置为32768，通过调整电位器RP5，使相应的D/A输出
为0.000V。
3）将D/A输出设置为65535，通过调整电位器RP6，使相应的D/A输出为5.000或10.000V。或者将D/A输出设置为0，通过调整电位器RP6，使相应的D/A输出为-5.000或-10.000V。
4） 重复以上3)、4）步骤，直到满足要求为止。
（二） 单极性输出的校准
1） 将数字电压表的地线与37芯D型插头XS1中的任意模拟地(AGND)相
接,电压表的输入端与需要校准的DA通道相连接。
2） 在Windows下运行USB2014测试程序，选择菜单文件操作下的D/A输出检
测，根据需要校准的通道选择相应的手动单点输出。
3） 将D/A输出设置为0，通过调整电位器RP5，使相应的D/A输出为0.000V。
4） 将D/A输出设置为65535，通过调整电位器RP6，使相应的D/A输出为
5.000或10.000V。
5） 重复以上3)、4）步骤，直到满足要求为止。
四、保修
USB2014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。