基于USB2.0和DDR2的數據采集系統設計

0 引言

隨著(zhù)計算機、微電子和嵌入式系統技術(shù)的發(fā)展， 數據采集技術(shù)已經(jīng)在生物醫學(xué)、圖像處理、雷達系統等眾多領(lǐng)域得到廣泛應用。本文設計的高速數據采集系統是應用于芯片現場(chǎng)測試的實(shí)時(shí)數據采集系統， 由于被測試芯片為250 MHz 8 bit的高速AD輸出， 因此， 該數據采集系統的數據采集率是2 Gbps。為了達到實(shí)時(shí)、高速、海量的數據采集， 該系統利用DDR2 SDRAM的高速數據傳輸能力和海量存儲能力做為采集數據的緩存，然后通過(guò)具有即插即用、易擴展、傳輸速率較高等特點(diǎn)的USB2.0接口來(lái)將DDR2 SDRAM中的數據傳輸到計算機中進(jìn)行存儲和分析。

1 數據采集系統架構

該數據采集系統的總體架構由硬件部分、固件部分和計算機上的USB驅動(dòng)及應用程序等幾大部分組成， 本文完成了硬件和固件部分的設計。

該系統的硬件部分主要由USB2.0、DDR2SDRAM、MCU以及IF等核心模塊組成， 圖1所示是其系統架構圖。

系統總體架構圖

圖1 系統總體架構圖

USB2.0由控制器和物理傳輸層組成， 其中控制器是在FPGA上實(shí)現的Faraday公司的IP核， 物理層可選用SMSC公司的GT3200芯片， 控制器與物理層芯片之間可通過(guò)標準的UTMI接口相連。

DDR2 SDRAM控制器是基于Xilinx公司提供的IP核， 工作頻率是125~266 MHz， 與SDRAM之間的接口是64 bit SODIMM筆記本內存條接口。作為數據存儲的SDRAM 是Samsung 公司的M470T5663QZ3-CE6 2GB 內存條。系統的控制核心MCU采用Mentor Graphics公司的增強型8051 IP核M8051EW， 該8051核采用兩個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機器周期的高性能架構， 同時(shí)支持MWAIT信號來(lái)控制程序總線(xiàn)， 從而能夠支持慢速的外部程序和數據存儲器。IF模塊是該系統設計的關(guān)鍵， 它相當于DMA的功能， 主要負責USB與DDR2、外部數據接口與DDR2之間的數據傳輸。

2 數據采集系統設計

本文中的數據采集系統采用USB2.0和DDR2SDRAM相結合的設計思路， 從而打破了傳統數據采集系統在實(shí)時(shí)數據采集中大容量和高速率不可兼得的瓶頸。在圖1所示的系統架構的四個(gè)部分中， 由于USB2.0和DDR2控制器都是IP核， 因此， 該系統設計的關(guān)鍵在于MCU和IF模塊。

2.1 MCU的設計

MCU是數據采集系統的控制核心， 主要用于對USB2.0控制器進(jìn)行配置、查詢(xún)和處理USB事務(wù)， 以及解析USB設備請求， 同時(shí)， 還需配置IF模塊， 處理與IF模塊之間的控制信號等， 因此，MCU的設計包括數據接口及控制信號的設計以及固件設計兩個(gè)部分。

MCU數據總線(xiàn)接口包括與USB2.0控制器和與IF模塊的接口， 這里的USB2.0控制器和IF模塊相當于外部設備掛在MCU的外部存儲器總線(xiàn)和ESFR(外部特殊功能寄存器) 總線(xiàn)上?？刂菩盘栔饕糜谟嬎銠C上的控制臺控制IF模塊數據傳輸的開(kāi)始與結束， 通常包含在USB的設備請求中。

整個(gè)固件的開(kāi)發(fā)可在Keil C下完成， 并可通過(guò)JTAG進(jìn)行調試。開(kāi)發(fā)一般包括三部分： 一是協(xié)助USB控制器完成總線(xiàn)列舉過(guò)程， 讓計算機識別USB設備； 二是通過(guò)解析自定義USB設備請求，來(lái)對采集模式、深度等進(jìn)行配置， 從而控制采集的開(kāi)始與結束； 三是查詢(xún)和處理IN、OUT事務(wù)中斷， 并控制USB數據傳輸。[next]

2.2 IF模塊設計

IF模塊負責接口的轉換和數據傳輸的控制，其結構如圖2所示。其中， usb2ddr和eoc2ddr子模塊分別控制USB2.0與DDR2 SDRAM、外部采集接口與DDR2 SDRAM之間數據的上下行傳輸。

上下行數據傳輸分別由usb2ddr_ctrl 和eoc2ddr_ctrl模塊中的狀態(tài)機進(jìn)行控制和管理。其中采集模式和深度由MCU的ESFR總線(xiàn)配置， 而傳輸開(kāi)始信號則使用MCU的PORT0 [0]、PORT0[1]， 結束信號連接在MCU的外部中斷NINT0和NINT1上， 這樣可使MCU能夠及時(shí)響應。上行采集開(kāi)始后， 首先使eoc2ddr_ctrl中的控制狀態(tài)機處于寫(xiě)狀態(tài)， 并不斷地比較DDR2的地址與配置深度， 直到采集完成。然后再使usb2ddr_ctrl中的控制狀態(tài)機處于讀狀態(tài)， 同樣也比較地址與深度，直到數據讀取完成。下行傳輸過(guò)程則與之相反。

IF模塊結構框圖

圖2 IF模塊結構框圖。

由于各個(gè)接口上數據傳輸的速率不同， 因此， 數據傳輸時(shí)， 要異步FIFO或者緩存。在本設計中， 由于各接口速率固定， 因此， 可采用雙端口RAM作乒乓緩存方式以提高效率并保證數據連續， 圖3所示是乒乓緩存原理圖。

乒乓緩存原理圖

圖3 乒乓緩存原理圖。

當下行發(fā)出數據時(shí)， 從DDR2的125 M×128bit到50 M×8 bit所需要的最小深度為32×8 bit， 因為從SDRAM中讀數據的最大延遲是26個(gè)DDR2時(shí)鐘周期(即208 ns)， 而將DDR2讀出的128 bit發(fā)出則需要16個(gè)時(shí)鐘周期(即320 ns)， 因此， 為了保證發(fā)出的數據可連續進(jìn)行乒乓操作， 需要2×128bit的深度。同理， 在上行數據從DDR2的125 M×128 bit到USB的30 M×32 bit則需要4×128 bit深度，因為USB時(shí)鐘讀完128 bit數據需要133.2 ns， 小于SDRAM 讀數據延遲的208 ns， 因此， 每次從SDRAM中讀2×128 bit數據時(shí)， 其乒乓操作就至少需要4×128 bit深度。

3 系統的改進(jìn)

本數據采集系統對傳統的數據采集系統做了創(chuàng )新型改進(jìn)。改進(jìn)主要是三個(gè)方面： 一是對數據采集的深度實(shí)行可配置模式； 二是在功能上不僅作為數據采集系統， 還能作為數據發(fā)生器， 即將采集到計算機上的數據通過(guò)數據采集系統發(fā)送出來(lái)； 三是該數據采集系統有兩種工作模式， 即普通采集模式和觸發(fā)采集模式。

深度可配置增加了系統在使用過(guò)程中的靈活性。該系統除了采集數據外， 還能將數據發(fā)出來(lái)用于芯片的FPGA原型驗證， 從而避免了緩慢的大數據量仿真， 更增強了系統的實(shí)用性。通過(guò)ESFR配置8 bit的深度寄存器可實(shí)現以16 MByte為單位的深度調節。觸發(fā)是數據采集系統不可缺少的功能， 因此， 該數據采集系統分為普通采集模式和觸發(fā)采集模式。觸發(fā)采集模式的原理如圖4所示。在觸發(fā)模式中， 可將SDRAM看做一個(gè)圓形的循環(huán)存儲器， 觸發(fā)前后的采集深度同樣也可以通過(guò)ESFR配置， 從而實(shí)現觸發(fā)前后的采集深度比例可調。

觸發(fā)實(shí)現機制原理圖

圖4 觸發(fā)實(shí)現機制原理圖。[next]

4 FPGA實(shí)現

FPGA在系統設計中具有很好的靈活性和可擴展性， 因此， FPGA是一個(gè)非常好的系統實(shí)現平臺。通過(guò)對數據采集系統的資源*估， 可得出如表1所列的資源占用結果。

表1 FPGA的資源占用情況。

FPGA的資源占用情況

本系統最終選擇了Xilinx 公司的FPGA器件Virtex5 LX30。由于DDR2 SDRAM控制器是Xilinx公司的IP核， 故在系統的集成和實(shí)現過(guò)程中不可避免的要對原IP核進(jìn)行改動(dòng)， 同時(shí)， 在ISE中布局布線(xiàn)時(shí)， 相應地要對原有UCF文件中的約束進(jìn)行修改， 以滿(mǎn)足時(shí)序要求。本系統除USB2.0的PHY和SDRAM外， 其余部分均由FPGA實(shí)現， 圖5所示是系統在計算機上的操作界面和實(shí)物圖。

操作界面和FPGA實(shí)物圖

圖5 操作界面和FPGA實(shí)物圖。

5 結束語(yǔ)

本文結合USB2.0與DDR2 SDRAM的特點(diǎn)， 給出了可打破普通數據采集系統在實(shí)時(shí)、高速和大容量數據采集上的瓶頸的方法， 并且在實(shí)用性方面進(jìn)行了改進(jìn)。該系統最終可在FPGA上實(shí)現，因為用FPGA實(shí)現具有極大的靈活性和可擴展性，并且在系統設計成本和快速實(shí)現上具有很好的競爭優(yōu)勢。目前， 該數據采集系統在實(shí)際運用中效果良好。實(shí)際上， 若對采集接口稍加改進(jìn)， 并將IF模塊中的乒乓緩存改為異步FIFO， 就能廣泛地應用于各類(lèi)高速系統的實(shí)時(shí)數據采集。