采用通用串行總線USB技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)方案

引言

數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中的重要地位日益突出，并且實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集的要求也不斷提高。在信號(hào)測量、圖像處理、音頻信號(hào)處理等一些高速、高精度的測量中，都需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，這些采集卡存在很多缺點(diǎn)，比如安裝麻煩，價(jià)格昂貴，尤其是受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴(kuò)展性差。

通用串行總線USB是用來連接外圍設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的新式標(biāo)準(zhǔn)接口總線。它是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價(jià)的并可以實(shí)現(xiàn)熱拔插的串行接口。USB技術(shù)是為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和通信集成而提出的一種用于擴(kuò)充PC體系結(jié)構(gòu)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?；赨SB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡，充分利用了USB總線的優(yōu)點(diǎn)，它也必將被越來越多的用戶所接受。

1、USB數(shù)據(jù)采集卡原理

1.1 USB簡介

USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它支持在主機(jī)與各式各樣即插即用的外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它由主機(jī)預(yù)定傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在總線上的各種設(shè)備分享USB總線帶寬。當(dāng)總線上的外設(shè)和主機(jī)在運(yùn)行時(shí)，允許自由添加、設(shè)置、使用以及拆除一個(gè)或多個(gè)外設(shè)。USB總線技術(shù)的提出就是想利用單一的總線技術(shù)，來滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需要。USB1.1協(xié)議支持兩種傳輸速度，即低速1.5Mbps和高速12Mbps。為了在高速接口之爭中占有一席之地，2000年發(fā)布了USB2.0協(xié)議，它向下兼容USB1.1協(xié)議，數(shù)據(jù)的最高傳輸速率提高到480Mbps，這就使USB對(duì)打印機(jī)和其它需要快速傳遞大容量數(shù)據(jù)的外設(shè)更具吸引力。

為了滿足實(shí)際數(shù)據(jù)采集USB傳輸速度較高的需要，選擇了Cypress公司的內(nèi)置USB接口微控制器芯片EZUSB FX2系列，開發(fā)了具有USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡。

1.2 系統(tǒng)框圖

USB系統(tǒng)是一個(gè)主從系統(tǒng)，而非對(duì)等（peer-to-peer）系統(tǒng)。在主從系統(tǒng)中，命令是由主設(shè)備發(fā)出，而從設(shè)備只能接收命令，只有在主設(shè)備讀取數(shù)據(jù)時(shí)，從設(shè)備才能提交數(shù)據(jù)。如圖1所示，在USB控制器與外圍電路之間需要一個(gè)FIFO，來充當(dāng)數(shù)據(jù)的緩存區(qū)。那么，在USB從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)存在一個(gè)問題：FIFO多大才能滿足要求。為了滿足數(shù)據(jù)采集中高速實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)垢應(yīng)用，避免FIFO溢出，在我們的系統(tǒng)中，通過FPGA及SDRAM構(gòu)造一個(gè)容量的FIFO（圖1虛線框內(nèi)所示），可以提供一個(gè)低成本并能滿足高速實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案。

2、USB數(shù)據(jù)采集卡硬件

2.1 EZ-USB FX2（CY7C68013）芯片

Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是最早符合USB2.0協(xié)議的微控制器之一，它集成了符合USB2.0協(xié)議的收發(fā)器（transceiver），串行接口引擎（SIE），增強(qiáng)型的8051內(nèi)核以及可編程的外圍接口。FX2系列芯片獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)56Mbps，最大限度地滿足了USB2.0的帶寬。

EZ-USB FX2的微處理器是一個(gè)增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，性能可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)8051的5～10倍，并與標(biāo)準(zhǔn)8051的指令完全兼容。增強(qiáng)型的8051內(nèi)核使用RAM世馘 作程序指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而使得EZ-USB FX2具有“軟”特性，也就是說，可以通過自行編寫程序指令來實(shí)現(xiàn)所需的功能。EZ-USB FZ2使用增強(qiáng)型SIE/USB接口（稱為USB核），通過執(zhí)行USB部本身的協(xié)議來簡化8051代碼編寫的工作。這樣采用硬件完成USB塄，簡化了固件代碼的編制。對(duì)于固件代碼的使用，主機(jī)通過軟件下載的方法實(shí)現(xiàn)。這種方法充分利用FZ2內(nèi)部的8KB RAM來裝載8051代碼和數(shù)據(jù)。由于EZ-USB FZ2具有重新枚舉的能力，所以在初始化枚舉時(shí)，用戶并不需要斷天設(shè)備就可以裝載新的描述符。設(shè)備描述符和8051程序代碼都能通過主機(jī)中的磁盤文件下載，只有制造商號(hào)、產(chǎn)品號(hào)和設(shè)備號(hào)從啟動(dòng)時(shí)從一個(gè)16字節(jié)的EEPROM下載到硬件中的。通過這種方式，可以比較容易地從主機(jī)升級(jí)軟件和修改USB總線設(shè)備的固件代碼。

EZ-USB FX2的通用可編程接口GPIF以及Master/Slave端點(diǎn)FIFO所對(duì)應(yīng)的8/16位數(shù)據(jù)總線，可以很容易地實(shí)現(xiàn)FX2與當(dāng)前一些主流通過接口（如ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和大部分DSP處理器）的互連。它共有7個(gè)端點(diǎn)，端點(diǎn)0，端點(diǎn)1和IN和OUT，還有端點(diǎn)2、4、6和8。其中，前3個(gè)端點(diǎn)的大小是固定的64字節(jié)，后4個(gè)端點(diǎn)默認(rèn)大小是2級(jí)512字節(jié)的FIFO，端點(diǎn)2和端點(diǎn)4默認(rèn)是OUT端點(diǎn)，端點(diǎn)6和端點(diǎn)8默認(rèn)是IN端點(diǎn)，而端點(diǎn)2和6分別可以定義為2級(jí)、3級(jí)或4級(jí)的存儲(chǔ)器，每級(jí)的大小也可以是512字節(jié)或1024字節(jié)。從EZ-USB FX2方向來看，一個(gè)端點(diǎn)相當(dāng)于通過總線收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，EZ-USB FX2從OUT緩沖區(qū)中讀取端點(diǎn)數(shù)據(jù)，將通過USB傳的端點(diǎn)數(shù)據(jù)寫入IN緩沖區(qū)。它求全責(zé)備速（12 Mbps）和高速（480 Mbps）傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸方式，即控制方式（control mode）、中斷傳輸方式（interrupt mode）、批量傳輸方式（bulk mode）和等時(shí)傳輸方式（isochronous mode）。

EZ-USB FX2系列是基于RAM的“軟”結(jié)構(gòu)，在開發(fā)過程中允許無限制設(shè)置和升級(jí)；它支持全速USB總線吞吐量的傳輸，使用EZ-USB FX2進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以不受端點(diǎn)數(shù)、緩沖區(qū)大小和傳輸速度的限制；此外，其內(nèi)核中做了大量的輔助指令，簡化了編碼，同時(shí)也加快了對(duì)USB特性的了解?；谝陨螮Z-USB FX2系列芯片的特性，在開發(fā)的過程中，采用了EZ-USB FX2系列中的CY7C68013芯片（128引腳），其簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

FX2可配置成三種不同的接口模式Ports、GPIF Master和Slave FIFO，本項(xiàng)目采用Slave FIFO模式。在該模式下，外部邏輯或外部處理器直接連接到FX2的端點(diǎn)FIFO，GPIF沒有被激活，因?yàn)橥獠窟壿嬁梢灾苯涌刂艶IFO，所以FIFO的基本控制信號(hào)（標(biāo)志、片選、使能）由FX2的引腳引出。外部控制可以是同步或異步，可以使用內(nèi)部時(shí)鐘，也可以向FX2的接口提供外部時(shí)鐘。

2.2 FPGA芯片EP1C6-Q240

在本設(shè)計(jì)中，所用的FPGA采用Altera公司最新的CYCLONE芯片EP1C6-Q240。它是一款高速價(jià)比的FPCA芯片，工作電壓為1.5V，采用0.13μm工藝技術(shù)，全銅SRAM工藝，其存儲(chǔ)器密度可達(dá)5980個(gè)邏輯單元，包含20個(gè)128×36位的RAM塊，總的RAM空間達(dá)到92160位，內(nèi)嵌了2個(gè)鎖相環(huán)電路和一個(gè)用于連接SDRAM的特定雙數(shù)據(jù)率（deficated data rate）接口。此外，該芯片還支持多種不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)（包括PCI接口，可連接ASSP和ASIC設(shè)備的接口以及串行設(shè)備接口等）。

這里FPGA的作用除了與SDRAM構(gòu)成一個(gè)大容量的FIFO以外，還需要完成一些控制功能。對(duì)于本文的應(yīng)用，需要完成HDB3碼到NRZ碼的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換等。具體問題要具體分析，用戶可根據(jù)自己的需求對(duì)FPGA進(jìn)行編程。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1180

MAX1180是Maxim公司的雙通道105Msps、3.3V工作電壓、低功耗的高速A/D芯片，采樣數(shù)據(jù)10位電平量化。它是采用差分輸入，帶有寬帶跟蹤/保持（track-and-hold）的雙通道9級(jí)流水線型結(jié)構(gòu)的ADCs，如圖3所示。實(shí)際的芯片包括兩個(gè)圖示的電路，作為輸入的兩路通道，互不干擾。各路采樣信號(hào)每半個(gè)時(shí)鐘周期通過一個(gè)STAGE，完成連續(xù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)輸出共需5個(gè)時(shí)鐘周期。每個(gè)流水線首先通過一個(gè)1.5位的快閃ADC對(duì)輸入電碼量化，然后再由DAC產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于量化結(jié)果的電壓并與輸入電壓作差，輸出電壓放大2倍后送到下一級(jí)流水線處理。A/D-D/A兩次變化以及差分處理的目的在于進(jìn)行差錯(cuò)校正，以保證在流水線上的各個(gè)階段，ADC的偏移量得到補(bǔ)償并且無代碼丟失。

2.4 硬件連接

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蛯?shí)時(shí)性的要求，配置CY7C68013工作的接口模式為Slave FIFO模式。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，硬件連接方式如圖4所示。

A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘同時(shí)作為CY7C68013的Slave FIFO模式的讀寫控制時(shí)鐘，即CY7C68013的接口時(shí)鐘連接到IFCLK引腳。SCWR/SLRD是CY7C68013 Slave FIFO的寫使能/讀允許信號(hào)。FPGA向C7C68013 Slave FIFO提供Slave FIFO輸出允許信號(hào)SLOE，僅在數(shù)據(jù)輸出時(shí)有效。FD［15:0］為16位雙向數(shù)據(jù)總線。FIFOADR1：0》為端點(diǎn)FIFO選擇信號(hào)。在數(shù)據(jù)輸入時(shí)固定為00，選擇的是端點(diǎn)2；在數(shù)據(jù)輸出時(shí)固定為10，選擇的是端點(diǎn)6。

3、USB數(shù)據(jù)采集卡軟件

軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)USB設(shè)備開發(fā)的必備環(huán)節(jié)。USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為三部分：初始化軟件、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用程序。初始化軟件是下載到控制器中的固件代碼，它響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求（包括USB設(shè)備的枚舉、驅(qū)動(dòng)程序的選擇加載等），完成連接設(shè)備和主機(jī)的任務(wù)。主機(jī)應(yīng)用軟件通過客戶驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)USBI（USB Device Interface）進(jìn)行通信，其主要任務(wù)是將采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)流，根據(jù)所需處理功能的要求來完成各種基于Windows程序的處理。

3.1 EZ-USB FX2的初始化

通過固件程序的調(diào)度，主機(jī)才能得到設(shè)備的描述符以及完成端點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)于固件程序的編程，其基本結(jié)構(gòu)如下：

①初始化，包括處理器和外圍電路的初始化；

②主函數(shù)，包括完成符合設(shè)備特定要求的代碼；

③中斷處理，包括處理各種中斷的程序代碼。

總的來說，固件程序的編寫有兩種方式。其一，對(duì)于熟悉8051匯編語言的用戶來說，可以直接利用匯編語言編寫結(jié)構(gòu)緊湊、高效率的固件代碼；其二，EZ-USB以利用現(xiàn)成的固件程序框架函數(shù)，根據(jù)設(shè)備的需求添加相慶的用戶，來完成特定的目的。

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