基于USB2.0與FPGA技術(shù)的高速數據采集系統的設計

　　ISP1581接收到主機的數據后，將根據相應的情況設置片內的中斷寄存器標志中斷源，然后向單片機申請中斷，中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。單片機響應中斷后，首先讀取中斷標志寄存器并判斷中斷源，然后設置相應的標志。在用戶(hù)的發(fā)送/接收程序中，將根據相應的標志產(chǎn)生相應的動(dòng)作。例如，主機發(fā)送一段數據給ISP1581，ISP1581接收、握手完畢后，設置中斷標志并申請中斷。在用戶(hù)的任務(wù)中發(fā)現有數據接收的標志，就可以讀出ISP1581中的數據。而ISP1581向主機發(fā)送數據時(shí)，首先是主機發(fā)送一個(gè)IN類(lèi)型的令牌發(fā)起一次傳輸，如果此時(shí)ISP1581相應端點(diǎn)的FIFO非空，則立即發(fā)送數據，然后向單片機申請中斷，響應中斷以后如果還有數據要發(fā)送，則應該向ISP1581的FIFO中寫(xiě)入數據，否則直接清空中斷標志即可。主機和數據采集器之間的握手配合要事先設計好。

　　根據輸入傳輸要求，在具體的設計中，除了主數據傳輸端點(diǎn)外，還配置了一個(gè)數據緩沖區為64字節的、工作于中斷傳輸方式的端點(diǎn)作為命令端口，負責與主機進(jìn)行通信握手。如果主機想從設備讀取數據，則首先發(fā)送一個(gè)讀取命令，單片機接收到該命令后，就向主數據端點(diǎn)的FIFO中寫(xiě)入數據，隨后主機發(fā)出讀數據令牌，正好有數據可以發(fā)送。通過(guò)命令端口還可以發(fā)送各種命令，控制數據采集器動(dòng)作。

3 FPGA數據采集模塊設計

　　3.1 模塊劃分
　　
　　FPGA模塊劃分為A/D接口、FIFO、單片機接口、DMA接口控制、主控制器等模塊，其中設置了一些可以單片機寫(xiě)入的寄存器。A/D的采集速度，FIFO的空、滿(mǎn)、數據寫(xiě)入、讀出速度都可以靈活配置。整個(gè)模塊以Verilog語(yǔ)言寫(xiě)成，稍加修改可以同各種A/D芯片接口。整個(gè)設計在A(yíng)ltera公司的Cyclone系列的EP1C12中完成。在A(yíng)CEX1K系列EC1K100器件上也可以實(shí)現，工作時(shí)鐘頻率為50MHz。

　　為了提高系統的靈活性，在信號的調理、濾波模塊中使用了Lattice公司的ispPAC80可編程濾波器作為輸入濾波器，可以靈活地設定抗混疊濾波器的截止頻率，最大截至頻率可以達到750kHz，完全可以滿(mǎn)足一般中、高頻信號的濾波。FPGA作為A/D控制器可以同多種A/D芯片接口，本設計中使用了TI公司的10位高速A/D芯片TLC876。芯片工作于流水線(xiàn)方式，最高采樣速率為20MSPS。

　　3.2 與單片機及ISP1581的接口

　　FPGA在與單片機信號的接口過(guò)程中，使用了同步設計的方法。即首先對單片機的I/O信號進(jìn)行采樣同步化，獲得各信號上升、下降沿的時(shí)刻，輸出同步脈沖，然后在這些時(shí)刻點(diǎn)處根據同步脈沖的出現與否來(lái)控制系統進(jìn)行動(dòng)作。這種設計的優(yōu)點(diǎn)是可以在設計中采用同步狀態(tài)機，以獲得較高的運行速度和穩定的工作性能。這也是ALTERA、XILINX等公司的FPGA數字系統設計中所推薦使用的方法。

　　為了提高FPGA中的FIFO與ISP1581中的數據存儲器的數據交換速度，FPGA與ISP1581之間采用DMA方式進(jìn)行數據交換。

　　ISP1581有兩種工作方式，由BUS_CONF、MODE0、MODE1三根引腳控制：

　　(1)如果上電時(shí)檢測到BUS_CONF引腳為低電平，則工作于分裂總線(xiàn)方式（Split Bus Mode）。ISP1581具有8-bit地址/數據復用總線(xiàn)和16-bit的DMA專(zhuān)用數據線(xiàn)。此時(shí)MODE1引腳如果為低電平，則可以將芯片的ALE/A0引腳與89X51的ALE腳直接相連，進(jìn)行地址/數據總線(xiàn)復用；而如果MODE1為高電平，則ALE/A0腳要接其他的89X51引腳，由用戶(hù)編程將ALE/A0腳拉高/低進(jìn)行地址/數據復用，而MODE0腳在這種方式下沒(méi)有使用或作為其他用途。

　　(2)如果上電時(shí)檢測到BUS_CONF引腳為高電平，則工作于通用處理器方式（Generic Processor Mode）。此時(shí)MODE1腳沒(méi)有使用（可接Vcc），MODE0引腳則可接低/高電平，這樣可以使芯片的讀/寫(xiě)引腳分別符合Motorola/89X51微處理器的讀寫(xiě)規范。所以讓ISP1581芯片工作于分裂總線(xiàn)方式可以方便地與8051系列單片機接口，其AD[7:0]作為數據/地址總線(xiàn)復用，RD、WE、ALE分別為讀、寫(xiě)、地址鎖存線(xiàn)，DATA[15:0]作為DMA數據總線(xiàn)使用。

　　ISP1581芯片中與DMA相關(guān)的引腳有DREQ、DACK、DIOR、DIOW。DMA傳輸前必須設定工作模式、初始化DMA相關(guān)寄存器，然后對DMA命令寄存器寫(xiě)入一個(gè)命令便可以啟動(dòng)DMA傳輸。傳輸模式有主、從、IDE、ATA等方式。通用數據采集系統比較適合采用從模式，在這種模式下，單片機接收到主機發(fā)來(lái)的開(kāi)始采集命令后，立即命令FPGA啟動(dòng)采樣，然后命令I(lǐng)SP1581啟動(dòng)DMA傳輸，ISP1581將DREQ引腳拉高，表示請求數據，此時(shí)FPGA將數據準備好后，拉低DACK引腳，待準備好數據后，在DIOR線(xiàn)上產(chǎn)生讀脈沖，供ISP1581將數據讀入內部FIFO。DMA也可以使用主模式，此時(shí)讀脈沖DIOR由ISP1581產(chǎn)生。DMA工作時(shí)序圖如圖6所示。

4 PC機多線(xiàn)程數據采集程序設計

　　USB的數據傳輸使用了虛擬管道的概念，可以同時(shí)接入127個(gè)設備。每個(gè)設備可以擁有若干個(gè)端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)可以跟主機組成一個(gè)連接，構成一個(gè)通信的最小實(shí)體。在數據傳輸過(guò)程中，只要帶寬允許，主機可以同時(shí)跟幾個(gè)端點(diǎn)通信，因此要求在主機的應用程序中開(kāi)啟多個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行通信。在本設計中，采用了命令端點(diǎn)和數據端點(diǎn)分開(kāi)的方式。命令端點(diǎn)配置成中斷或批量傳輸方式，在主機應用程序中專(zhuān)門(mén)開(kāi)啟一個(gè)線(xiàn)程同該端點(diǎn)進(jìn)行通信，開(kāi)啟另外一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行采樣數據傳輸，而兩個(gè)傳輸之間互相不影響。用戶(hù)界面使用另外的線(xiàn)程，這樣在傳輸過(guò)程中，應用程序可以隨時(shí)響應用戶(hù)的命令。在具體的設計中，點(diǎn)擊數據采集開(kāi)始命令即建立并且啟動(dòng)一個(gè)采集線(xiàn)程。在這個(gè)無(wú)限循環(huán)的線(xiàn)程函數中設置了一個(gè)標志變量，如果該變量為真，則線(xiàn)程函數繼續運行；否則線(xiàn)程終止，停止采集。這樣用戶(hù)界面線(xiàn)程可以通過(guò)修改線(xiàn)程運行標志變量來(lái)控制線(xiàn)程的運行。采用多線(xiàn)程采集程序的一個(gè)問(wèn)題是線(xiàn)程函數必須是一個(gè)全局函數，不屬于任何一個(gè)類(lèi)，這樣它就無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)的私有成員或保護成員，解決這個(gè)問(wèn)題的方法是：因為線(xiàn)程函數在創(chuàng )建時(shí)允許傳送一個(gè)指針參數給它，于是可以構造一個(gè)結構數據類(lèi)型，數據成員中包含一個(gè)指向類(lèi)的指針。在創(chuàng )建線(xiàn)程時(shí)將想要訪(fǎng)問(wèn)的類(lèi)的指針包含在一個(gè)按前述定義的結構變量中，并將該結構的指針作為參數傳給線(xiàn)程函數。這樣就可以在線(xiàn)程函數中定義一個(gè)類(lèi)對象，并把前述的類(lèi)指針賦給它，通過(guò)類(lèi)指針就可以訪(fǎng)問(wèn)該對象中的所有成員了。在本設計中采用多線(xiàn)程程序設計后，系統工作非常穩定。

　　目前，國內外的數據采集系統常用的接口方式有多種,如 RS232 串行口、并行口，ISA 總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)等。這些總線(xiàn)接口雖各具優(yōu)點(diǎn)，但也都有其難以克服的缺點(diǎn)而被逐漸淘汰。USB接口具有連接方便、無(wú)需外接電源、即插即用、支持熱插拔、動(dòng)態(tài)加載驅動(dòng)程序等特有優(yōu)點(diǎn)，在主機和數據采集系統之間可以實(shí)現簡(jiǎn)單、快捷、可靠的連接和通信。本設計應用ISP1581USB接口芯片與FPGA技術(shù)，構建了一個(gè)使用靈活的通用數據采集系統。該系統充分利用了PC機的大存儲量，強大的數據處理能力，高清晰的大屏幕顯示（相對于嵌入式系統而言），以及嵌入式系統的實(shí)時(shí)與靈活性。目前正在使用此平臺構建一個(gè)在消聲室環(huán)境中針對機械振動(dòng)噪聲的采集與分析系統。此系統在智能儀器以及工業(yè)自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域中必將有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 蕭世文. USB2.0硬件設計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.
[2]  周立功.PDIUSBD12USB固件編程與驅動(dòng)開(kāi)發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.
[3]  張念淮. USB總線(xiàn)接口開(kāi)發(fā)指南[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.
[4]  Philips Semiconductors. ISP1581 programming guide[Z].2004.
[5]  USB.org. Universal serial bus specification rev.2.0[Z].2006. http://www.usb.org/developers/docs/.
[6] 倪明輝. USB在FPGA控制的高速數據采集系統中的應用[J]. 計算機測量與控制,2006,14(2).