具有USB2.0接口的高速數據采集卡設計

關(guān)鍵詞：USB2.0 FPFO FPGA 固件程序 主從系統

引言

數據采集在現代工業(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)高速數據采集的要求也不斷提高。在信號測量、圖像處理、音頻信號處理等一些高速、高精度的測量中，都需要進(jìn)行高速數據采集?，F在通用的高速數據采集卡一般多是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，尤其是受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差。

通用串行總線(xiàn)USB是用來(lái)連接外圍設備與計算機之間的新式標準接口總線(xiàn)。它是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價(jià)的并可以實(shí)現熱拔插的串行接口。USB技術(shù)是為實(shí)現計算機和通信集成而提出的一種用于擴充PC體系結構的工業(yè)標準?；赨SB接口的高速數據采集卡，充分利用了USB總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，它也必將被越來(lái)越多的用戶(hù)所接受。

1 USB數據采集卡原理

1.1 USB簡(jiǎn)介

USB是英文Universal Serial Bus的縮寫(xiě)，中文含義是“通用串行總線(xiàn)”。它支持在主機與各式各樣即插即用的外設之間進(jìn)行數據傳輸。它由主機預定傳輸數據的標準協(xié)議，在總線(xiàn)上的各種設備分享USB總線(xiàn)帶寬。當總線(xiàn)上的外設和主機在運行時(shí)，允許自由添加、設置、使用以及拆除一個(gè)或多個(gè)外設。USB總線(xiàn)技術(shù)的提出就是想利用單一的總線(xiàn)技術(shù)，來(lái)滿(mǎn)足多種應用領(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，數據的最高傳輸速率提高到480Mbps，這就使USB對打印機和其它需要快速傳遞大容量數據的外設更具吸引力。

為了滿(mǎn)足實(shí)際數據采集USB傳輸速度較高的需要，選擇了Cypress公司的內置USB接口微控制器芯片EZUSB FX2系列，開(kāi)發(fā)了具有USB接口的高速數據采集卡。

1.2 系統框圖

USB系統是一個(gè)主從系統，而非對等（peer-to-peer）系統。在主從系統中，命令是由主設備發(fā)出，而從設備只能接收命令，只有在主設備讀取數據時(shí)，從設備才能提交數據。如圖1所示，在USB控制器與外圍電路之間需要一個(gè)FIFO，來(lái)充當數據的緩存區。那么，在USB從設備向主設備發(fā)送數據時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題：FIFO多大才能滿(mǎn)足要求。為了滿(mǎn)足數據采集中高速實(shí)時(shí)流數據垢應用，避免FIFO溢出，在我們的系統中，通過(guò)FPGA及SDRAM構造一個(gè)容量的FIFO（圖1虛線(xiàn)框內所示），可以提供一個(gè)低成本并能滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)流數據傳輸的解決方案。

圖2

2 USB數據采集卡硬件

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），增強型的8051內核以及可編程的外圍接口。FX2系列芯片獨特的結構使得數據傳輸速度最高可達56Mbps，最大限度地滿(mǎn)足了USB2.0的帶寬。

EZ-USB FX2的微處理器是一個(gè)增強型的8051內核，性能可達標準8051的5～10倍，并與標準8051的指令完全兼容。增強型的8051內核使用RAM世馘 作程序指令和數據存儲器，從而使得EZ-USB FX2具有“軟”特性，也就是說(shuō)，可以通過(guò)自行編寫(xiě)程序指令來(lái)實(shí)現所需的功能。EZ-USB FZ2使用增強型SIE/USB接口（稱(chēng)為USB核），通過(guò)執行USB部本身的協(xié)議來(lái)簡(jiǎn)化8051代碼編寫(xiě)的工作。這樣采用硬件完成USB塄，簡(jiǎn)化了固件代碼的編制。對于固件代碼的使用，主機通過(guò)軟件下載的方法實(shí)現。這種方法充分利用FZ2內部的8KB RAM來(lái)裝載8051代碼和數據。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(hù)并不需要斷天設備就可以裝載新的描述符。設備描述符和8051程序代碼都能通過(guò)主機中的磁盤(pán)文件下載，只有制造商號、產(chǎn)品號和設備號從啟動(dòng)時(shí)從一個(gè)16字節的EEPROM下載到硬件中的。通過(guò)這種方式，可以比較容易地從主機升級軟件和修改USB總線(xiàn)設備的固件代碼。

EZ-USB FX2的通用可編程接口GPIF以及Master/Slave端點(diǎn)FIFO所對應的8/16位數據總線(xiàn)，可以很容易地實(shí)現FX2與當前一些主流通過(guò)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，后4個(gè)端點(diǎn)默認大小是2級512字節的FIFO，端點(diǎn)2和端點(diǎn)4默認是OUT端點(diǎn)，端點(diǎn)6和端點(diǎn)8默認是IN端點(diǎn)，而端點(diǎn)2和6分別可以定義為2級、3級或4級的存儲器，每級的大小也可以是512字節或1024字節。從EZ-USB FX2方向來(lái)看，一個(gè)端點(diǎn)相當于通過(guò)總線(xiàn)收發(fā)數據的緩沖區，EZ-USB FX2從OUT緩沖區中讀取端點(diǎn)數據，將通過(guò)USB傳的端點(diǎn)數據寫(xiě)入IN緩沖區。它求全責備速（12 Mbps）和高速（480 Mbps）傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規定的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”結構，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中允許無(wú)限制設置和升級；它支持全速USB總線(xiàn)吞吐量的傳輸，使用EZ-USB FX2進(jìn)行設計，可以不受端點(diǎn)數、緩沖區大小和傳輸速度的限制；此外，其內核中做了大量的輔助指令，簡(jiǎn)化了編碼，同時(shí)也加快了對USB特性的了解?；谝陨螮Z-USB FX2系列芯片的特性，在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，采用了EZ-USB FX2系列中的CY7C68013芯片（128引腳），其簡(jiǎn)化結構如圖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(méi)有被激活，因為外部邏輯可以直接控制FIFO，所以FIFO的基本控制信號（標志、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

在本設計中，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，其存儲器密度可達5980個(gè)邏輯單元，包含20個(gè)12836位的RAM塊，總的RAM空間達到92160位，內嵌了2個(gè)鎖相環(huán)電路和一個(gè)用于連接SDRAM的特定雙數據率（deficated data rate）接口。此外，該芯片還支持多種不同的I/O標準（包括PCI接口，可連接ASSP和ASIC設備的接口以及串行設備接口等）。

這里FPGA的作用除了與SDRAM構成一個(gè)大容量的FIFO以外，還需要完成一些控制功能。對于本文的應用，需要完成HDB3碼到NRZ碼的轉換及數據的串并轉換等。具體問(wèn)題要具體分析，用戶(hù)可根據自己的需求對FPGA進(jìn)行編程。

2.3 A/D轉換芯片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，采樣數據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級流水線(xiàn)型結構的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。各路采樣信號每半個(gè)時(shí)鐘周期通過(guò)一個(gè)STAGE，完成連續轉換到數據輸出共需5個(gè)時(shí)鐘周期。每個(gè)流水線(xiàn)首先通過(guò)一個(gè)1.5位的快閃ADC對輸入電碼量化，然后再由DAC產(chǎn)生一個(gè)對應于量化結果的電壓并與輸入電壓作差，輸出電壓放大2倍后送到下一級流水線(xiàn)處理。A/D-D/A兩次變化以及差分處理的目的在于進(jìn)行差錯校正，以保證在流水線(xiàn)上的各個(gè)階段，ADC的偏移量得到補償并且無(wú)代碼丟失。

2.4 硬件連接

根據系統對數據傳輸的速度和實(shí)時(shí)性的要求，配置CY7C68013工作的接口模式為Slave FIFO模式。當進(jìn)行數據采集時(shí)，硬件連接方式如圖4所示。

A/D轉換器的采樣時(shí)鐘同時(shí)作為CY7C68013的Slave FIFO模式的讀寫(xiě)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(xiě)使能/讀允許信號。FPGA向C7C68013 Slave FIFO提供Slave FIFO輸出允許信號SLOE，僅在數據輸出時(shí)有效。FD[15:0]為16位雙向數據總線(xiàn)。FIFOADR1：0》為端點(diǎn)FIFO選擇信號。在數據輸入時(shí)固定為00，選擇的是端點(diǎn)2；在數據輸出時(shí)固定為10，選擇的是端點(diǎn)6。

3 USB數據采集卡軟件

軟件設計是一個(gè)USB設備開(kāi)發(fā)的必備環(huán)節。USB應用系統軟件設計分為三部分：初始化軟件、主機操作系統上的客戶(hù)驅動(dòng)程序以及主機應用程序。初始化軟件是下載到控制器中的固件代碼，它響應各種來(lái)自系統的USB標準請求（包括USB設備的枚舉、驅動(dòng)程序的選擇加載等），完成連接設備和主機的任務(wù)。主機應用軟件通過(guò)客戶(hù)驅動(dòng)程序與系統USBI（USB Device Interface）進(jìn)行通信，其主要任務(wù)是將采集進(jìn)來(lái)的數據流，根據所需處理功能的要求來(lái)完成各種基于Windows程序的處理。

3.1 EZ-USB FX2的初始化

通過(guò)固件程序的調度，主機才能得到設備的描述符以及完成端點(diǎn)數據的傳輸。對于固件程序的編程，其基本結構如下：

①初始化，包括處理器和外圍電路的初始化；

②主函數，包括完成符合設備特定要求的代碼；

③中斷處理，包括處理各種中斷的程序代碼。

總的來(lái)說(shuō)，固件程序的編寫(xiě)有兩種方式。其一，對于熟悉8051匯編語(yǔ)言的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，可以直接利用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)結構緊湊、高效率的固件代碼；其二，EZ-USB以利用現成的固件程序框架函數，根據設備的需求添加相慶的用戶(hù)，來(lái)完成特定的目的。

為了加快USB接口的開(kāi)發(fā)過(guò)程，利用EZ-USB FX2提供的一些框架函數來(lái)簡(jiǎn)化用戶(hù)代碼，使用相應端口（端口2輸入，端口6輸出）利用EZ-USB FX2的Slave FIFO結構采用此處理傳輸，基本的固件程序框架函數如下：

void TD_Init(void) //該函數用來(lái)完成EZ-USB FX2的初始化

{ CPUCS=0x10； //工作頻率48MHz

IFCONFIG=0xC3; //決定FX2的工作模式（slave FIFO）及相關(guān)設置

IN07VAL=bmEP2;

OUT07VAL=bmEP6;//使能端點(diǎn)2輸入和端點(diǎn)6輸出

…

EP2FIFOCFG=0x6D;//AUTOOUT=0,AUTOIN=1，WORDWIDE=1

SYNCODELAY；

EP6FIFOCFG=0x75;//AUTOOUT=1，AUTOIN=0，WORDWIDE=1

SYNCDELAY； //對端點(diǎn)2和端點(diǎn)6的配置，WORDWIDE=1配置的是使用16位數據線(xiàn)。

EP2CFG=0xEA; //端點(diǎn)2：輸入、批量傳輸、最大包字節為1024，雙緩沖

SYNCDELAY；

EP6CFG=0xAA; //端點(diǎn)6：輸出、批量傳輸、最大包字節為1024、雙緩沖

SYNCDELAY；

}

void TD_Poll(void) //此函數在設備運行時(shí)反復被調用，它包括完成用戶(hù)任務(wù)的函數

{

}

BOOL TD_Suspend(void) //該函數在設備進(jìn)行掛起狀態(tài)前調用

{

return(TRUE);

}

BOOL TD_Resume(void)//設備重啟后調用

{

return(TRUE);

}

在整個(gè)固件程序中，EZ-USB FX2設備上電或復位后，首先對所有的內部狀態(tài)變量初始化，隨后調用TD_Init()函數，并開(kāi)中斷，此時(shí)固件程序不斷檢測控制端口0是否收到SETUP包。一旦收到，固件程序就開(kāi)始調用用戶(hù)函數TD_Poll()，其中用戶(hù)需要完成的功能代碼就在TD_Poll()函數一。調用完成后，重復檢測端口0是否收到SETUP包，若有，繼續執行設備請求，調用TD_Poll（）函數；否則，檢測USB核是否有USB掛起事件，若有，調用TD_Suspend()函數，其返為真時(shí)，檢測USB核是否有重新開(kāi)始事件，沒(méi)有時(shí)，設備進(jìn)入掛起狀態(tài)，反之，調用TD_Resume()，進(jìn)行下一次循環(huán)；當TD_Suspend()函數返回為假時(shí)，直接轉入下次循環(huán)。

此外，固件程序框架中還定義了許多中斷處理函數，當用到時(shí)可以在相應的九加入自己編寫(xiě)的代碼，這樣既清晰又便于理解，用戶(hù)就可以在不用改變整個(gè)程序的前提下，僅僅通過(guò)改變相應的模塊，來(lái)實(shí)現自己的功能。

3.2 主機軟件部分

主機軟件部分包括USB客戶(hù)驅動(dòng)程序主和機應用程序。USB客戶(hù)驅程序是支持即插即用功能的標準WDM驅動(dòng)程序，它為實(shí)現控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸提供了標準接口函數。而主機應用程序的作用在于與操作系統相互作用，當操作系統認為有新設備接入時(shí)，就會(huì )自動(dòng)調用相應的設備驅支以。加之該軟件需要一個(gè)圖形用戶(hù)界面來(lái)控制所用的函數，這里采用VC++來(lái)編制應用程序，利用CreateFile得到USB句柄，用DeviceIoControl來(lái)向設備驅動(dòng)程序發(fā)送請求，完成在EZ-USB FX2中的數據批傳輸的讀取與寫(xiě)入。程序實(shí)例如下：

HANDLE DeviceHandle；

DeviceHandle=CreateFile(.ezusb0，GENERIC_WRITE，

FILE_SHARE_WRITE，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL）；

//得到設備ezusb0的句柄

DeviceIoControl (DeviceHandle,

IOCTL_EZUSB_BULK_WRITE,

LPVOID lpInBuffer,//；輸入數據存儲地址指針

Sizeof(BULK_TRANSFER_CONTROL),

LPVOID lpOutBuffer,//輸出數據存儲地址指針

DWORD nOutBufferSize，//輸出緩存大小

LPDWORD lpBytesReturned,//接收輸出數據字節計數器變量的指針

NULL）；

//寫(xiě)數據到EZ-USB FX2設備

DeviceIoControl(DeviceHandle,IOCTL_EZUSB_BULK_READ,

LPVOID lpInBuffer,//輸入數據存儲地址地

Sizeof(BULK_TRANSFER_CONTROL),

LPVOID lpOutBuffer,//輸出數據存儲地址批晚霞

DWORD nOutBufferSize,//輸出緩存大小

LPDWORD lpBytesReturned,//接收輸出數據字節計數器變量的指針

NULL）；

//從EZ-USBFX2設備中讀數據

ColseHandle(DeviceHandle); //關(guān)閉USB句柄

結語(yǔ)

本項目的目的是將信號處理電路中輸出的信號（I、Q兩路），通過(guò)模數轉換，在滿(mǎn)足10Mbps傳輸速率的基礎上，通過(guò)USB接口完成數據寫(xiě)入硬盤(pán)的工作。事實(shí)證明，基于USB2.0接口的高速數據采集卡完全滿(mǎn)足設計要求?？梢灶A見(jiàn)，基于USB2.0接口的高速數據采集卡一定會(huì )有廣闊的應用空間。