基于USB2.0與FPGA技術(shù)的高速數據采集系統的設計

　　近年來(lái)筆記本電腦迅速普及和更新，其中大部分已經(jīng)不配置RS232接口，而USB接口已成為今后一段時(shí)間PC機與外設接口的主流。本采集系統的設計構建了一個(gè)基于USB接口的多功能通用數據采集、傳輸平臺，將嵌入式系統的實(shí)時(shí)性、靈活性和PC機強大的數據存儲、處理、顯示功能結合起來(lái)。該采集系統在智能儀器儀表、測控系統、工控系統等領(lǐng)域有廣闊的應用前景。

1 系統總體結構設計

　　1.1 系統總體結構

　　系統總體結構框圖如圖1所示，系統包括：單片機與USB接口模塊、FPGA模塊、信號調理及A/D模塊。其中，單片機外圍電路相對簡(jiǎn)單，整個(gè)系統主要通過(guò)PC機的程序界面控制操作；USB接口負責與PC機通信；FPGA模塊負責完成數據的采集與緩存。

　　1.2 單片機與USB接口模塊

　　本設計的目的是構建以PC機為平臺的數據采集系統，單片機的功能僅限于接收PC機的命令、控制FPGA工作。PC機作為整個(gè)系統的人機界面，控制整個(gè)數據采集系統進(jìn)行采集、存儲和處理。由此單片機可以選擇低成本的8XC51系列。為了提高系統的靈活性，采用單片機與USB接口芯片分離的方案，選擇Philip公司的ISP1581 USB2.0接口芯片。該芯片與8XC51系列單片機的接口非常簡(jiǎn)單，可以極大地降低系統成本。

　　1.3 FPGA模塊

　　采用FPGA進(jìn)行采樣控制的最大特點(diǎn)是系統具有重構性和通用性。設計中采用了Altera公司的低成本FPGA的Cyclone系列（實(shí)際試驗時(shí)，在更便宜的Acex1k器件上也可以實(shí)現），控制高速A/D芯片以20MSPS的速度采樣。FPGA模塊的設計具體包括FIFO、單片機接口、A/D控制接口、DMA控制模塊和主控制器等子模塊的設計。

　　1.4 PC機端軟件平臺

　　PC機采集程序使用VC++實(shí)現，直接調用Philips公司提供的驅動(dòng)程序進(jìn)行數據讀寫(xiě)，大大降低了開(kāi)發(fā)難度與風(fēng)險。本設計中，PC機端軟件設計包括應用程序的界面設計、多線(xiàn)程數據采集、存儲與處理模塊的設計，以及與USB底層驅動(dòng)程序的通信動(dòng)態(tài)鏈接庫的設計。

2 USB接口模塊設計

　　2.1 USB接口芯片

　　USB接口芯片ISP1581具有體積小、高速、與單片機的接口相對簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。除了控制端點(diǎn)外，ISP1581還有7個(gè)輸入（IN）端點(diǎn)和7個(gè)輸出（OUT）端點(diǎn)。每個(gè)端點(diǎn)可以靈活配置數據傳輸方式以及數據緩存區（FIFO）的大小，端點(diǎn)FIFO最大容量可以達到2KB。ISP1581芯片在配置枚舉時(shí)需要單片機固件的支持，一旦正確完成了配置和驅動(dòng)加載，單片機對于ISP1581芯片就如同普通存儲器一樣可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作，以發(fā)送或接收數據。

　　2.2 固件編程

　　USB通信完全由PC主機發(fā)起。在這種結構下，固件總是一直在等待主機命令，再根據命令去執行相應的程序。固件的基本思想是采用模塊化設計，分成 main.c等7個(gè)模塊。ISP1581固件結構如圖2所示。圖中，main.c為主循環(huán)，isr.c主要負責中斷處理，Chap9.c主要負責響應主機的請求。用戶(hù)的應用程序將來(lái)也可以包括在main.c循環(huán)中。

　　2.3  單片機端程序設計

　　單片機端程序主要包括初始化模塊，外圍Flash、EEPROM、RAM、液晶顯示器、按鍵等的讀寫(xiě)控制模塊,USB接口芯片固件模塊,A/D采樣工作模式、速度以及采樣數據的讀寫(xiě)的FPGA硬件控制模塊等。本設計的指導思想是：充分利用PC機和嵌入式系統的優(yōu)點(diǎn)，對MCU端的要求盡量簡(jiǎn)化。具體軟件流程示意圖如圖3所示。

　　USB作為一個(gè)通信接口，首先必須完成配置，然后才能進(jìn)行用戶(hù)數據的發(fā)送/接收，在循環(huán)中必須隨時(shí)檢查是否有主機的配置命令。配置枚舉過(guò)程是USB固件編程當中較為復雜的部分，其流程如圖4所示。USB設備接入到主機并被主機識別后，主機首先以默認的地址（00H）發(fā)送一個(gè)設置（SETUP）包，新接入的設備必須接收此包并響應請求。然后主機會(huì )發(fā)送輸入包讀取設備描述符，初步判斷設備的屬性后，再設置設備的地址，隨后再用這個(gè)地址讀取設備的各種描述符以識別并且配置設備?？梢?jiàn)，在設備配置過(guò)程中，主機讀取的數據較多，設備一旦接收到一個(gè)SETUP包之后便會(huì )判斷主機的請求類(lèi)型，然后進(jìn)入請求處理循環(huán)等待主機的進(jìn)一步命令，如果再次收到一個(gè)IN令牌便會(huì )向控制端點(diǎn)中寫(xiě)入數據，并且根據數據長(cháng)度再次寫(xiě)端點(diǎn)直到數據發(fā)送完畢。USB的標準請求包括讀取設備描述符、配置描述符、端點(diǎn)描述符、設置地址、配置設備等，廠(chǎng)商請求由用戶(hù)自行定義。