基于USB接口的數據采集系統的設計與實(shí)現

系統簡(jiǎn)介

　　通用串行總線(xiàn)（USB）支持熱插撥，真正的即插即用。USB1.1在全速傳輸時(shí)可以達到12Mbps的傳輸速率；低速傳輸時(shí)傳輸速率可達1.5Mbps。USB電纜線(xiàn)只有4根，兩根是電源線(xiàn)，傳送5V電源，可用來(lái)向設備供電；另外兩根是信號線(xiàn)，用來(lái)傳輸串行數據。與傳統的RS－232串口比較，USB具有傳輸速度更快、集成化程度更高、編程化更好以及能夠支持多個(gè)設備等優(yōu)點(diǎn)。因此在我們的設計中用它來(lái)和主機接口實(shí)現高速的數據通信。

　　在數據采集系統中，通常采用單片機或DSP(數字信號處理器)作為CPU,控制ADC（模/數轉換器）、存儲器和其他外圍電路的工作。但是單片機的時(shí)鐘頻率較低，難以適應高速數據采集系統的要求，而DSP雖然可以實(shí)現較高速的數據采集，但其速度提高的同時(shí)也提高了系統的成本。FPGA（現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）有單片機和DSP無(wú)法比擬的優(yōu)勢：時(shí)鐘頻率高，內部時(shí)延??；全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。因此，在本系統中我們用FPGA來(lái)控制A/D和USB芯片的運行。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

　　圖中FPGA采用ALTERA公司生產(chǎn)的APEX 1k系列芯片，型號為EP1K30，通過(guò)在EPGA中編寫(xiě)硬件邏輯控制A/D轉換器的運行；實(shí)現A/D轉換器和USB 控制芯片間數據傳輸的數據總線(xiàn)接口。除此之外，為了保證EPGA和USB控制芯片間數據交互過(guò)程的實(shí)現，必須在FPGA中提供一個(gè)用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

2 A/D轉換環(huán)節

　　在該系統中我們采用TI公司的ADS7800。它是12位并行模數轉換器^[2>，接口簡(jiǎn)單，很容易控制，最大采樣率可達333kHz，輸入的電壓范圍為－10V～＋10V或－5V～＋5V。ADS7800芯片的數字接口比較簡(jiǎn)單，可以很方便地與其它數字系統相連接。對此芯片地控制有完全控制模式（full control mode ）和孤立控制磨蝕（stand-alone control mode ）兩種控制方法。

　　在本系統中，對ADS7800芯片的控制是通過(guò)在FPGA芯片中編寫(xiě)控制邏輯來(lái)實(shí)現的。我們采用了孤立控制模式，在此控制模式下，輸出數字信號是12位并行的。

　　利用FPGA芯片的可編程性可以使用芯片中的12個(gè)IO腳作為數據總線(xiàn)，另使用一些IO腳作為ADS7800的控制信號輸入，控制模/數變換器以32kHz的速率對模擬輸入信號進(jìn)行采樣，采樣的數據存入FPGA的RAM中。本系統中所使用的FPGA芯片型號為EP1K30QC208-3，它具有著(zhù)良好的特性，芯片內部共有3萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)，容量相當大；6個(gè)嵌入式陣列塊，可是現最大為3k字節的RAM存儲器。

3 系統的設計與實(shí)現

3.1 USB接口芯片介紹

　　在設計中，我們選取Cyprees公司的EZ-USB系列芯片來(lái)實(shí)現USB接口設備方的控制。它是一款帶有多個(gè)外設、高度集成的芯片，其功能框圖如圖2所示。一個(gè)集成的USB收發(fā)器（transceiver）連接USB總線(xiàn)的D＋和D－。串行接口引擎（SIE）對總線(xiàn)上的數據進(jìn)行編/解碼、錯誤檢測、位填充以及USB規范規定的其它信號級操作的實(shí)現，并且最終把數據收或發(fā)到USB接口部分。

圖2 EZ-USB系統框圖

　　內部的微處理器是8051單片機的增強型，提高了執行速度并增加了一些新的特性。它使用內部RAM作為程序和數據存儲器；帶有16位地址線(xiàn)和8位數據線(xiàn)用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器，特有的快速傳輸模式可以在外部邏輯和內部USB FIFO間快速地傳遞數據。

3.2 USB總線(xiàn)數據通信解決方案

　　在實(shí)現數據通信解決方案時(shí)，為完成數據流地正常傳輸，所建立的硬件平臺必須能夠提供兩個(gè)接口。首先必須要有一個(gè)實(shí)現數據傳輸的數據總線(xiàn)接口；除此之外，為了保證數據交互過(guò)程的正常實(shí)現，必須提供一個(gè)用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

　　AN2135SC芯片提供了EZ-USB系列芯片的所有接口和功能。在本系統中，我們將利用這款芯片和FPGA芯片配合工作，建立一個(gè)基于USB總線(xiàn)接口的數據通信解決方案，以實(shí)現將采樣信號輸出到上位機中的功能。

　　在此解決方案中，我們選擇AN2135SC芯片工作在快速數據傳輸模式下的8位并行數據總線(xiàn)D[7…0>作為數據傳輸的總線(xiàn)接口；選擇AN2135SC芯片中的通用 C總線(xiàn)主控制器接口作為數據通信過(guò)程中進(jìn)行控制和狀態(tài)信息傳輸的GPIO接口。這樣，芯片中的一般GPIO引腳就可以用來(lái)實(shí)現其它功能，方便了系統的進(jìn)一步擴充。圖3所示為AN2135SC芯片與FPGA芯片的接口示意圖。

　　為了使AN2135SC芯片中快速數據傳輸模式下的數據總線(xiàn)D[7…0>和通用 主控制器分別完成流數據傳輸和控制狀態(tài)信息傳輸的功能，需要在芯片的8051核中編寫(xiě)程序，對AN2135SC芯片內部相關(guān)的專(zhuān)用寄存器進(jìn)行配置^[3>。