一種新型高速數據采集系統的設計與實(shí)現
作者：張延波 張興敢 南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程系(南京210093)
時(shí)間：2008-06-17
來(lái)源：電子產(chǎn)品世界
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固件程序即為寫(xiě)入USB單片機中的程序，它是設備運行的控制中樞．Cypress公司提供了固件架構，用戶(hù)可以利用這一架構簡(jiǎn)化固件開(kāi)發(fā)。固件設計架構是由Keil C51編譯器與其整合開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)和構建的．在程序開(kāi)始時(shí)，固件架構會(huì )執行下列步驟：
1) 設置所有內部狀態(tài)變量的初始值。
2) 調用用戶(hù)的初始設置函數TD_Init( )，待返回后，固件架構就會(huì )將USB接口設置為未配置的狀態(tài)。
3) 在1s的時(shí)間間隔內，開(kāi)始重新進(jìn)行設備列舉，直到設置封包收到端點(diǎn)0為止。
4) 當SETUP封包被檢測到后，固件架構就會(huì )啟動(dòng)工作分配器，而這個(gè)工作分配器就會(huì )按順序重復地執行下面的工作：
A: 調用用戶(hù)函數TD_Poll( )。
B: 是否決定標準設備請求是未定(或等待決定)的。如果已決定，它將會(huì )分析所收到的命令請求，并且加以響應。
C: 是否決定USB核心已經(jīng)報告了USB中止(Suspend)事件。如果已決定，它會(huì )調用用戶(hù)函數TD_Suspend()。
若取得成功的返回，則測試回復(Resume)事件。反之，如果未檢測到，將會(huì )把微處理器放人中止模式中。當回復事件被檢測到時(shí)，將調用用戶(hù)函數TD_Resume( )，并且連續地跳回至步驟C。
D: 若從TD_Suspend()函數中未收到成功的返回，再連續地跳至步驟C。
實(shí)際上Cypress公司提供的這個(gè)固件框架已經(jīng)能夠使USB芯片正常的工作，但是，它并不能滿(mǎn)足本系統的需要。需要添加自己的控制代碼來(lái)控制USB芯片，使之能夠完成需要的工作。
框架程序中為提供了兩個(gè)函數TD_Init( )，TD_Poll( )，根據上面的分析發(fā)現，這兩個(gè)函數分別完成了系統的初始化工作和系統的用戶(hù)期望工作。在此采集系統中，只需要修改這兩個(gè)函數，添加自己的功能函數，即可完成系統需要的功能。
在TD_Init( )中，需要添加自己的代碼來(lái)完成系統的初始化，因為系統采用了2端點(diǎn)和6端點(diǎn)的批量讀寫(xiě)功能，所以，將2端點(diǎn)配置單緩沖區512字節，兩倍緩沖區，作為In端點(diǎn)，將6端點(diǎn)配置為單緩沖區512字節，兩倍緩沖區，作為Out端點(diǎn)，配置系統為異步Slave FIFO 模式。
在TD_Poll( )中，通過(guò)檢測2端點(diǎn)和6端點(diǎn)緩沖區數據的狀態(tài)，來(lái)及時(shí)的讀取這兩個(gè)緩沖區中的數據，然后調用自己定義的函數DecodeInst( ), ImplementInst( )來(lái)完成對于控制指令的譯碼和執行工作。
驅動(dòng)程序
基于EZ-USB FX2的二次枚舉的特性，需要編制兩個(gè)驅動(dòng)程序：一個(gè)驅動(dòng)程序loader.sys，它將在主機上編寫(xiě)好的固件程序在主機系統啟動(dòng)時(shí)下載至FX2的RAM中；另一個(gè)驅動(dòng)程序USBBULK.sys為實(shí)際安裝的驅動(dòng)程序。另外，為實(shí)現在系統啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)安裝兩次驅動(dòng)程序，還需編寫(xiě)自己的ezloader.inf文件實(shí)現。loader.sys需要自己編寫(xiě)生成，USBBULK.sys可使用CYPRESS公司的通用驅動(dòng)程序。
用戶(hù)程序
用戶(hù)程序是系統與用戶(hù)的接口，它通過(guò)通用驅動(dòng)程序完成對外設的控制和通信。在編寫(xiě)用戶(hù)程序時(shí)，首先要建立與外設的連接，然后才能實(shí)施數據的傳輸。啟動(dòng)采樣后，為了保證不丟失數據，用戶(hù)程序應建立一個(gè)新的工作線(xiàn)程專(zhuān)門(mén)獲取外設傳來(lái)的數據。程序中主要用到兩個(gè)API函數：CreateFile()和DeviceIoControl()。CreateFile()取得設備句后,DeviceIoControl()根據該句柄完成數據傳輸。
系統通過(guò)DeviceIoControl()完成的工作如下：
數據批量讀，數據批量寫(xiě)。
結語(yǔ)
為了驗證本系統采集數據的準確性，利用信號源產(chǎn)生的正弦波信號對系統進(jìn)行驗證。測試結果如圖3所示。
圖3 測試結果
通過(guò)實(shí)際測量，該系統測量數據與實(shí)際情況完全符合，單通道采樣速率最高可達到10Mbps。
整個(gè)采集系統由USB2.0數據傳輸、FPGA、邏輯電路、和計算機等組成，通過(guò)對該系統的硬件電路設計和軟件編程分析，以及實(shí)際測量結果的比較，證明了該系統的可行性。由于采用高速USB2.0接口，本系統具有即插即用、高速采集等特點(diǎn)，具有很好的擴展性。該采集系統已經(jīng)在雷達接收機的測試系統中得到應用。
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