USB数据采集方案

USB数据采集方案应用中天科工半导体供货电子元器件品牌：

TI德州仪器、ADI亚德诺、MICRON镁光、ST意法、YAGEO国巨、ONSEMI安森美、 MPS(芯源)、KEMET(基美)、SCTF(星通时频)

# TI 德州仪器 USB 数据采集方案（ADC+USB 接口 / 主控）

ADC 核心采集芯片

ADS1256,ADS1115,ADS8688,ADS8350,ADS7851,ADS114S08,ADS1278,ADC3663,ADS122C04,ADS1299

USB 接口 / 主控（配套做 USB 上传）

TUSB3410,TUSB1210,TUSB216,PCM2902,FX3(USB3.0),TIDA-00090,TSW1418EVM,TSWDC155EVM

# ADI 亚德诺 USB 数据采集方案

ADC/μModule 一体化采集芯片

AD4190-4,AD7172-4,AD7173-8,AD7193,AD4080,AD9467,AD9640,ADAQ7768-1,ADAQ4003,ADAQ23876,ADAQ23878

USB 控制器评估平台（板载 USB，直接连 PC 采集）

SDP-K1,SDP-H1,EVAL-ADUSB2EBZ,HSC-ADC-EVALB-DCZ

# ST 意法半导体 USB 数据采集方案（内置 USB OTG 的 MCU 为主）

主控 MCU（自带 USB OTG，外接 ADC 构成采集系统）

STM32F405RGT6,STM32F429IGT6,STM32F746NGH6,STM32H743VIT6,STM32L476RGT6,STM32G474RET6

USB 接口 PHY / 控制器

ISP1105WTS,ISP1161A1BMGA,ISP1183BSTM,STULPI01B

# MICRON 镁光

> 镁光**无 ADC 数据采集芯片**；仅 eUSB 嵌入式存储，用于采集数据本地存储，不是采集前端

> MTEDFAE008SCA-1P2IT,MTFDCAE002SAJ-1M1,eU500,e230

一、方案概述

本方案为通用型USB数据采集系统（USB DAQ），实现模拟信号采集、数字IO采样、数据缓存、USB高速上传、上位机解析存储与实时显示，覆盖低速传感采集、中速工业测控、高速波形采集三大主流场景。系统采用模块化分层架构，支持即插即用、多通道同步采集、多种触发方式、数据无损传输、离线缓存与异常容错，可直接用于产品量产、项目开发与设备改造。

方案核心定位：

- 低速版（≤1kSPS）：温度、压力、电压、电流、湿度等慢变信号，低成本、极简电路

- 中速版（10k~500kSPS）：工业测控、振动、音频、模拟量闭环控制，性价比最优

- 高速版（1MSPS~10MSPS+）：波形采集、超声、瞬态信号、动态测试，高带宽低延迟

核心优势：统一软硬件架构、带宽匹配无丢包、同步精度高、支持Windows/Linux上位机、自带流控与容错、支持OTA升级，兼顾研发调试与批量生产。

二、系统总体架构

系统采用信号调理 → ADC采集 → 缓存时序控制 → USB传输 → 上位机处理五级流水线架构，分为六大硬件模块与四层软件架构。

2.1 硬件模块组成

模拟信号调理模块、ADC模数转换模块、主控时序模块、USB传输模块、电源隔离防护模块、数字IO与触发模块。

2.2 数据流向

外部传感器/模拟信号 → 阻抗匹配、滤波、放大、偏置 → ADC同步采样 → FIFO实时缓存 → 主控打包组帧 → USB批量传输（Bulk） → 电脑上位机 → 解包、滤波、存储、绘图、分析

三、硬件详细设计

3.1 电源与隔离防护模块

USB总线5V供电，采用二级稳压与隔离设计，杜绝电脑地干扰导致的采集噪声与漂移。

- 输入：USB 5V取电，自恢复保险丝、TVS防浪涌、ESD防护

- 稳压：5V转3.3V/1.8V，为主控、USB芯片、ADC、运放供电

- 模拟隔离：数字地/模拟地单点接地，磁珠隔离，降低开关噪声

- 超低纹波：LC+RC多级滤波，保障ADC采样精度

3.2 信号调理模块（决定采集精度）

所有模拟输入必须经过调理后进入ADC，避免超量程、阻抗不匹配、高频干扰。支持单端/差分输入切换。

- 阻抗缓冲：运放电压跟随，高输入阻抗，避免信号衰减

- 量程缩放：支持±5V、±10V、0~3.3V、0~5V可编程增益适配

- 滤波处理：二阶RC低通，滤除工频与高频噪声，带宽匹配采样率

- 偏置抬升：负压信号抬升为正电压，适配单极性ADC

3.3 ADC采集模块选型与设计

按速率分级选型，保证采样精度、同步性、信噪比最优。

3.3.1 低速方案

MCU内置12位ADC，多通道轮询采集，适合静态信号，电路极简，成本最低。

3.3.2 中速通用方案（主推量产）

外置16位ADC（如ADS1115/ADS1256），支持4~8通道差分同步，采样率可调，工业级高精度，适合传感器长期采集。

3.3.3 高速方案

外置高速并行/串行ADC（如AD7606），8通道同步采样，最高可达MSPS级别，搭配FPGA时序控制，无通道相位差，适合动态波形采集。

3.4 主控与时序缓存模块

核心作用：精准控制ADC采样时序、通道切换、FIFO缓存、数据组帧、USB调度，解决高速采集丢包、抖动、时序错乱问题。

- 低速：STM32/GD32 MCU，定时器精准定时采样

- 中速：高级MCU+片内FIFO，实现连续流式上传

- 高速：FPGA内置FIFO缓存，解决ADC高速数据流与USB带宽不匹配问题，实现零丢包连续采集

3.5 USB传输模块（核心带宽）

3.5.1 USB2.0全速（12Mbps）

适用于低速采集，使用CH340/CP2102虚拟串口，开发极快、上位机兼容强，缺点带宽低、不适合大流。

3.5.2 USB2.0高速（480Mbps）【主流量产】

采用CY7C68013（FX2）USB高速控制器，Bulk批量传输，实际有效带宽40MB/s以上，可支撑多通道百k级连续采集，是工业DAQ主流方案。

3.5.3 USB3.0超高速（5Gbps）【高端高速采集】

采用CYUSB3014架构，适配10MSPS以上超高速数据流，适合高精度波形、瞬态测试设备。

3.6 触发与数字IO模块

支持工业标准三类触发，满足测试测量专业需求：

- 软件触发：上位机指令一键启停采集

- 模拟触发：任意通道高于/低于阈值触发、边沿触发

- 外部数字触发：TTL电平上升/下降沿外部硬件触发

四、方案选型建议

- 低成本监测项目：MCU+内置ADC+USB虚拟串口，快速落地、极致性价比

- 工业多通道高精度采集：STM32+ADS1256+USB2.0高速，精度高、稳定性强

- 高速波形/动态测试设备：FPGA+AD7606+USB2.0/3.0，高带宽、同步性强、无丢包

五、方案总结

本USB数据采集方案覆盖低速、中速、高速全场景，采用标准化模块化设计，从信号调理、AD采样、时序缓存、USB传输到上位机解析全链路闭环，解决了普通采集设备噪声大、易丢包、不同步、无触发、稳定性差等工程痛点。方案可直接用于产品立项量产、设备改造、科研测试、实验室仪器开发，同时预留充足拓展空间，可按需增加DA输出、数字IO、测温、串口拓展等功能。

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