基于MAX 7 0 0 0A與CYUSB3014的USB3.0數據采集系統

0 引言

目前高速數據采集技術(shù)越來(lái)越得到人們的重視，傳統的USB 2.0采集平臺理論帶寬只有480 Mbps，實(shí)際傳輸能力只有30 Mb/s左右，而USB 3.0采集平臺理論帶寬達到了5Gbps，能有效解決USB2.0采集系統的缺陷。目前一些采集系統采用單片機為主控芯片，則不能充分發(fā)揮USB3.0的帶寬，性能不佳。本文研究和設計了一套基于USB3.0總線(xiàn)的數據采集系統，此系統采用高速CPLD芯片MAX7000A作為主控芯片，CYUSB3014作為USB3.0主機接口芯片，能實(shí)現超高速實(shí)時(shí)數據采集與傳輸。

1 系統硬件設計

系統的總體框架如圖1所示。被采集的信號通過(guò)相應的傳感器轉換為相應的模擬電壓，A/D芯片將其轉換為數字信號，再送到CPLD主控芯片MAX7000A，經(jīng)處理后發(fā)送到USB 3.0主機接口芯片CYUSB3014，該芯片工作在SLAVE FIFO模式，最后數據以5Gbps的速度送入到計算機。

美國的賽普拉斯(CYPRESS)公司開(kāi)發(fā)的EZUSB FX系列芯片以其強大的功能，簡(jiǎn)易的開(kāi)發(fā)過(guò)程而深受開(kāi)發(fā)者喜愛(ài)。EZ—USB FX3(CYUSB3014)芯片是其最新的USB接口芯片，不僅完全符合USB3.0標準，而且還可以與DSP、FPGA、CPLD和單片機等處理器方便地相連，從而簡(jiǎn)化了系統的設計。EZ-USB FX3芯片內部邏輯結構如圖2所示。

CYUSB3014的內核為一個(gè)200MHz工作頻率的32位ARM926EJ處理器，其通過(guò)固件程序和內部DMA通道管理USB和GPIF II、I2S、SPI、UART接口之間的數據傳輸。CYUSB3014內部有一個(gè)能實(shí)現5Gbps傳輸速度的GPIF II接口，該接口可以方便地與MAX 7000A連接。GPIF II接口不僅工作頻率可達100MHz，而且其數據總線(xiàn)可以根據需要選擇8位、16位和32位中的任何一種。當然，只有選用了32位的數據總線(xiàn)，才能充分挖掘其帶寬。

美國硅谷的Altera公司一直是創(chuàng )新定制邏輯解決方案的領(lǐng)先者，其開(kāi)發(fā)了業(yè)界最先進(jìn)的FPGA、CPLD和ASIC技術(shù)，其開(kāi)發(fā)的MAX系列CPLD芯片深受開(kāi)發(fā)者喜愛(ài)。只有采用高速的CPLD主控芯片才能充分發(fā)揮USB3.0的5Gbps超寬帶寬，為此Altera公司最新高速的MAX7000A系列CPLD為理想之選，我們采用了型號為MAX7128AETC100—4的主控芯片，該芯片的詳細資料見(jiàn)文獻。該芯片主要負責與GPIF II接口相連，實(shí)現GPIF II接口工作在SLAVEFIFO模式下向計算機寫(xiě)入數據的邏輯時(shí)序控制。EZ—USB FX3的GPIF II接口有HOST主機和SLAV EFIFO兩種工作模式，本系統選用SLAVE FIFO工作模式，其與CPLD連接的原理圖如圖3所示。

系統工作原理如下：1)A[1：0]為地址選擇位，MAX7000A根據其值選擇對應的Socket;2)D[31：0]為32位的傳輸數據總線(xiàn)，MAX7000A將需要寫(xiě)入的數據放置在此總線(xiàn)上;3)SLCS為片選芯片，工作時(shí)需為低電平來(lái)選中EZ-USB FX3芯片;4)PKTEND為包結束信號，當數據包寫(xiě)滿(mǎn)時(shí)，該信號有效時(shí)，MAX7000A將其打包傳送至EZ—USB FX3芯片;5)FLAGA和FLAGB為EZ—USB FX3返回給MAX 7000A的狀態(tài)標志信號，MAX7000A據此決定是否對EZ—USB FX3進(jìn)行數據讀寫(xiě);6)SLWR為寫(xiě)使能信號，SLRD為讀使能信號，SLOE為輸出使能信號。

系統硬件設計中還包含了電源電路、USB接口電路和時(shí)鐘復位電路等電路的設計，由于篇幅的關(guān)系，在此不作介紹。

2 系統軟件設計

系統軟件的開(kāi)發(fā)包含了MAX 7000A CPLD和EZ—USB FX3的固件程序開(kāi)發(fā)、EZ—USB FX3的Windows驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)和上位機應用程序的開(kāi)發(fā)。我們利用CYPRESS公司提供的開(kāi)發(fā)包，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了開(kāi)發(fā)效率。

固件程序是微控制器系統的核心，是幫助設備實(shí)現相應的功能。MAX 7000A CPLD固件程序主要完成對A/D芯片的控制和對EZ—USB FX3芯片的通信，其將A/D芯片采集的數據傳送給EZ—USB FX3。MAX 7000A CPLD的固件開(kāi)發(fā)比較簡(jiǎn)單，只需對相應的引腳和時(shí)序進(jìn)行定義。為此我們采用了Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Quartos II 8.0。EZ—USBFX3固件程序的主要功能是讓其將MAX 7000A CPLD芯片傳來(lái)的數據傳輸到上位機，實(shí)現超高速數據傳輸。EZ—USB FX3的控制器是基于A(yíng)RM926EJS的，固件程序采用ECLIPSE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)人員需在CYPRESS公司官網(wǎng)上下載其SDK安裝包。EZ—USB FX3的固件程序流程圖如下：

S1FifoAppThread線(xiàn)程代表著(zhù)EZ—USB FX3芯片的GPIF II接口工作在SLAVE FIFO模式。我們需在S1FifoAppThread線(xiàn)程中定義一個(gè)DMA傳輸通道，此DMA通道在外部MAX 7000A芯片的控制下，將數據送至指定的輸入端點(diǎn)，以供上位機應用程序獲取。

在驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)方面，CYPRESS公司的SDK為EZ-USB FX3提供了通用設備驅動(dòng)程序CYUSB3.SYS，其不僅完全符合WDF(Windows Driver Foundation)規范，還具有兼容USB2.0和USB3.0設備、支持即插即用和支持高帶寬數據傳輸等優(yōu)點(diǎn)。我們只需根據固件程序中定義的USB設備的VID和PID對通用驅動(dòng)程序相匹配的CYUSB3.INF文件進(jìn)行相應的簡(jiǎn)單修改即可。

在上位機的應用程序的開(kāi)發(fā)方面，CYPRESS公司同樣為用戶(hù)提供了一個(gè)個(gè)操作簡(jiǎn)單、功能強大的C++編程接口：CyAPI.Lib庫函數。我們選用了Microsoft Visual Studio2008作為開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)CyAPI.Lib函數與CYUSB3.SYS設備驅動(dòng)程序傳遞數據，進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

3 總結

本文詳細介紹了采用EZ—USB FX3為接口USB3.0芯片，MAX 7000A為主控芯片，設計與開(kāi)發(fā)了一套USB 3.0數據采集傳輸系統。CYPRESS公司為EZ-USB FX3提供了完整的SDK開(kāi)發(fā)包，縮短了開(kāi)發(fā)周期。當采樣數據為32位，采樣時(shí)鐘為40MHz時(shí)，系統理論傳輸帶寬可達1.28Gps。實(shí)際測試中我們采用了16位的A/D高速芯片，MAX 7000A芯片工作時(shí)鐘為40MHz，實(shí)驗測得系統傳輸速率約600Mbps，超過(guò)了USB2.0的480Mbps理論帶寬，這表明USB3.0總線(xiàn)能將采集的信號實(shí)時(shí)傳輸至計算機，充分發(fā)揮了USB3.0超高速傳輸帶寬的優(yōu)勢。