基于USB2.0的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹基于USB2.0協(xié)議、最多可四路同步采樣的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其單通道采樣速度620ksps，四通道同時(shí)采樣速度可達(dá)180ksps。USB接口控制及通信芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013，通過(guò)對(duì)其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部FIFO的有效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采樣。
　　關(guān)鍵詞：USB2.0協(xié)議同步數(shù)據(jù)采集CY7C68013可編程控制接口FIFO
　　
　　ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）總線是ＩＮＴＥＬ、ＮＥＣ、ＭＩＣＲＯＳＯＦＴ、ＩＢＭ等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線接口規(guī)范。為了適應(yīng)高速傳輸?shù)男枰�，２０００年４月，這些公司在原１．１協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂了ＵＳＢ２．０傳輸協(xié)議，已超過(guò)了目前ＩＥＥＥ１３９４接口４００Ｍｂｐｓ的傳輸速度，達(dá)到了４８０Ｍｂｐｓ。ＵＳＢ總線使用簡(jiǎn)單，支持即插即用ＰｎＰ（ＰｌｕｇＡｎｄＰｌａｙ），一臺(tái)主機(jī)可串連１２７個(gè)ＵＳＢ設(shè)備。設(shè)備與主機(jī)之間通過(guò)輕便、柔性好的ＵＳＢ線纜連接，最長(zhǎng)可達(dá)５ｍ，使設(shè)備具有移動(dòng)性，可自由掛接在具有ＵＳＢ接口的運(yùn)行在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／ＮＴ平臺(tái)的ＰＣ機(jī)上。ＵＳＢ總線已被越來(lái)越多的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和用戶自定義外設(shè)所使用，如鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀、音箱等。
　　
　　筆者結(jié)合設(shè)備檢測(cè)中數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了該高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)最多可四路同步采樣，單通道采樣速度可達(dá)６２０ｋｓｐｓ，四通道同時(shí)采樣速度可達(dá)１８０ｋｓｐｓ。ＵＳＢ接口控制芯片采用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司ＦＸ２系列中的ＣＹ７Ｃ６８０１３，通過(guò)對(duì)其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部ＦＩＦＯ的有效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采樣和傳輸。
　　
　　１基本原理
　　
　　該采集系統(tǒng)總體框架分三部分：主機(jī)（能支持ＵＳＢ２．０協(xié)議的ＰＣ機(jī)）、內(nèi)部包含ＣＰＵ及高速緩存的ＵＳＢ接口控制芯片（ＣＹ７Ｃ６８０１３）和高速同步采樣芯片（ＭＡＸ１１５），如圖１所示。其數(shù)據(jù)傳輸分兩部分：控制信號(hào)傳輸和采集數(shù)據(jù)傳輸�？刂菩盘�(hào)方向?yàn)橛芍鳈C(jī)到外設(shè)，由外設(shè)ＣＰＵ控制，數(shù)據(jù)量較�。徊杉�到的數(shù)據(jù)由外設(shè)到主機(jī)，數(shù)據(jù)量較大。為了保證較高的傳輸速度，不經(jīng)過(guò)ＣＰＵ。系統(tǒng)基本操作過(guò)程為：主機(jī)給外設(shè)一個(gè)采樣控制信號(hào)，ＦＸ２根據(jù)該信號(hào)向Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器送出相應(yīng)控制信號(hào)，即采樣模式控制字；之后由Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器自主控制轉(zhuǎn)換，并將各通道采樣數(shù)據(jù)存入其片內(nèi)緩存。一旦轉(zhuǎn)換完成，由Ａ／Ｄ的完成位向ＦＸ２的可編程控制接口發(fā)讀采樣結(jié)果信號(hào)；然后由可編程接口的控制邏輯依次將各通道采樣結(jié)果從Ａ／Ｄ的緩存讀入ＦＸ２的內(nèi)部ＦＩＦＯ。當(dāng)ＦＩＦＯ容量達(dá)到指定程度后，自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包傳送給ＵＳＢ總線。期間所有操作不需要ＣＰＵ的干預(yù)。采樣過(guò)程中接口控制邏輯依次取走批量數(shù)據(jù)，在打包傳送時(shí)Ａ／Ｄ仍持續(xù)轉(zhuǎn)換，內(nèi)部ＦＩＦＯ也持續(xù)寫入轉(zhuǎn)換結(jié)果。只要內(nèi)部ＦＩＦＯ寫指針和讀指針位置相差達(dá)到指定的值就立即取走數(shù)據(jù)。從而保證了同步連續(xù)高速采集的可靠性。
　　
　　２硬件部分
　　
　�。玻�１芯片介紹
　　
　�。茫伲罚茫叮福埃保硨儆冢茫�ｐｒｅｓｓ公司的ＦＸ２系列產(chǎn)品，它提供了對(duì)ＵＳＢ２．０的完整解決方案。該芯片包括帶８ＫＢ片內(nèi)ＲＡＭ的高速ＣＰＵ、１６位并行地址總線＋８位數(shù)據(jù)總線、Ｉ２Ｃ總線、４ＫＢＦＩＦＯ存儲(chǔ)器以及通用可編程接口（ＧＰＩＦ）、串行接口引擎（ＳＩＥ）和ＵＳＢ２．０收發(fā)器。在代碼的編寫上，與８０５１系列單片機(jī)兼容，且速度是標(biāo)準(zhǔn)８０５１的３～５倍。
　　
　�。茫伲罚茫叮福埃保撑c外設(shè)有兩種接口方式：可編程接口ＧＰＩＦ和ＳｌａｖｅＦＩＦＯｓ。
　　
　　可編程接口ＧＰＩＦ是主機(jī)方式，可以由軟件設(shè)置讀寫控制波形，靈活性很大，幾乎可以對(duì)任何８／１６ｂｉｔ接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫，使用非常靈活。ＳｌａｖｅＦＩＦＯｓ方式是從機(jī)方式，外部控制器可象對(duì)普通ＦＩＦＯ一樣對(duì)ＦＸ２的多層緩沖ＦＩＦＯ進(jìn)行讀寫。ＦＸ２的ＳｌａｖｅＦＩＦＯｓ工作方式可設(shè)為同步或異步；工作時(shí)鐘為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入可選；其它控制信號(hào)也可靈活地設(shè)置為高有效或低有效。筆者在設(shè)計(jì)中采用主機(jī)方式。
　　
　　ＭＡＸ１１５是美信公司的高速多通道同步采樣芯片。含有兩組４路同步通道，共８?jìng)�(gè)輸入端。采樣精度為１２位，采樣模式由采樣控制字決定，可靈活地在兩組中的１～４個(gè)通道間選擇。采樣時(shí)，各通道轉(zhuǎn)換結(jié)果先存入其內(nèi)部相對(duì)應(yīng)的４個(gè)１２ｂｉｔ存儲(chǔ)單元，各通道都轉(zhuǎn)換完后再一起取走。
　　
　�。玻�２電路原理及設(shè)計(jì)
　　
　　考慮ＣＹ７Ｃ６８０１３與ＭＡＸ１１５接口時(shí)，采樣模式不同，控制波形有所差別，筆者選擇主機(jī)方式即可編程控制接口（ＧＰＩＦ）。
　　
　�。牵校桑剖牵疲兀捕它c(diǎn)ＦＩＦＯ的內(nèi)部控制器。在這種方式下，接口內(nèi)核可產(chǎn)生６個(gè)控制輸出端（ＣＴＬ０～ＣＴＬ５）和９根線的地址（ＧＡＤＲ[８:０])輸出，同時(shí)可以接收６個(gè)外部輸入(ＲＤＹ０～ＲＤＹ５)和２個(gè)內(nèi)部輸入。ＦＸ２有４個(gè)波形描述符控制各個(gè)狀態(tài)。這些波形描述符可以動(dòng)態(tài)地配置給任何一個(gè)端點(diǎn)ＦＩＦＯ。例如，
　　
　　
　　
　　一個(gè)波形描述符可以配置為寫ＦＩＦＯ，而另一個(gè)配置為讀ＦＩＦＯ。ＦＸ２的固件程序可以把這些描述符配置給四個(gè)ＦＩＦＯ中的任意一個(gè)，配置后，ＧＰＩＦ將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯和握手信號(hào)給外界接口，滿足向ＦＩＦＯ讀寫數(shù)據(jù)的需要。ＧＰＩＦ的數(shù)據(jù)總線既可以是單字節(jié)寬（８位ＦＤ[７:０]）也可以是雙字節(jié)寬（１６位ＦＤ[１５:０]）。每個(gè)波形描述符包含了Ｓ０～Ｓ６七個(gè)有效狀態(tài)和一個(gè)空閑狀態(tài)。在每個(gè)有效狀態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間段里，經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置，ＧＰＩＦ可以做以下幾件事情：（１）驅(qū)動(dòng)（使為高或低）或懸�。秱�(gè)輸出控制端；（２）采樣或驅(qū)動(dòng)ＦＩＦＯ的數(shù)據(jù)總線；（３）增加ＧＰＩＦ地址總線的值；（４）增加指向當(dāng)前ＦＩＦＯ指針的值；（５）啟動(dòng)ＧＰＦＩＷＦ(波形描述符)中斷。除此之外，在每個(gè)狀態(tài)，ＧＰＩＦ可以對(duì)以下幾個(gè)信號(hào)中任意兩個(gè)進(jìn)行采樣，它們是：（１）ＲＤＹＸ輸入端；（２）ＦＩＦＯ狀態(tài)標(biāo)志位；（３）內(nèi)部ＲＤＹ標(biāo)志位；（４）傳輸計(jì)數(shù)中止標(biāo)志位。把其中兩個(gè)信號(hào)相與、相或或者相異或，根據(jù)結(jié)果跳轉(zhuǎn)到其它任意一個(gè)狀態(tài)或延遲１～２５６個(gè)ＩＦＣＬＫ時(shí)鐘周期。當(dāng)然也可以根據(jù)輸入端的信號(hào)進(jìn)行跳轉(zhuǎn)或延遲。ＧＰＩＦ波形描述符通常用Ｃｅｐｒｅｓｓ公司的ＧＰＩＦ工具(ＧＰＩＦＴＯＯＬ)進(jìn)行配置。它是一個(gè)可運(yùn)行于Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺(tái)的應(yīng)用程序，與ＦＸ２的開發(fā)包一起發(fā)布。
　　
　　在這種方式下，所有的讀寫及控制邏輯通過(guò)ＣＹ７Ｃ６８０１３的ＧＰＩＦ以軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)，且控制邏輯的變換方便靈活（只需要改變接口的一個(gè)配置寄存器的值）。電路連接如圖２所示。
　　
　　本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只用到了兩個(gè)輸出控制ＣＴＬ０、ＣＴＬ１和一個(gè)外部輸入ＲＤＹ０，它們分別接ＭＡＸ１１５的ＣＯＮＶＳＴ＃、ＷＲ＃和ＩＮＴ＃。數(shù)據(jù)總線用雙字節(jié)，其中ＦＤ０～ＦＤ１１接ＭＡＸ１１５的數(shù)據(jù)輸入端Ｄ０～Ｄ１１，ＦＤ１２和ＦＤ１３接控制字輸入端的Ａ２和Ａ３，ＦＤ０和ＦＤ１復(fù)用做控制字輸入端的Ａ０和Ａ１。ＭＡＸ１１５的采樣基準(zhǔn)時(shí)鐘由ＦＸ２的輸出時(shí)鐘經(jīng)三分頻得到，為１６ＭＨｚ。對(duì)應(yīng)四種數(shù)據(jù)傳輸方式（八種不同的采樣模式），ＧＰＩＦ的控制及握手信號(hào)波形有所不同。四通道同步采樣的時(shí)序圖如圖３所示。
　　
　　在第一個(gè)判決點(diǎn)，若采樣數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備就緒，ＭＡＸ１１５傳給ＧＰＩＦ一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)ＲＤＹ０；根據(jù)此信號(hào)，波形按順序轉(zhuǎn)入２、３、４、５狀態(tài)，使指向內(nèi)部ＦＩＦＯ的指針在每個(gè)時(shí)鐘上升沿加１，依次讀取四個(gè)數(shù)據(jù)，取完數(shù)據(jù)后利用ＣＴＬ０的上升沿啟動(dòng)下一次采樣。若在狀態(tài)１時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)脈沖，則直接跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)６，之后重復(fù)執(zhí)行此波形描述符。
　　
　　三通道同步采樣時(shí)，讀取數(shù)據(jù)的狀態(tài)只需要持續(xù)三次。其它采樣模式控制波形的設(shè)計(jì)依此類推。
　　
　　２．３固件程序設(shè)計(jì)
　　
　　固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備ＣＰＵ中的程序。只有在該程序運(yùn)行時(shí)，外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備。固件程序負(fù)責(zé)初始化各硬件單元，重新配置設(shè)備及Ａ／Ｄ采樣控制。固件代碼的存儲(chǔ)位置有三種：第一種是存在主機(jī)中，設(shè)備加電后由驅(qū)動(dòng)程序把固件下載到片內(nèi)ＲＡＭ后執(zhí)行，即“重新枚舉”；第二種方法是把固件代碼固化到一片ＥＥＰＲＯＭ中，外設(shè)加電后由ＦＸ２通過(guò)Ｉ２Ｃ總線下載到片內(nèi)ＲＡＭ后自動(dòng)執(zhí)行；最后一種方法是把程序固化到一片ＲＯＭ中，使之充當(dāng)外部程序存儲(chǔ)器，連在ＦＸ２三總線上。筆者選用第一種方式，這種方式便于系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)。固件程序框圖如圖４所示。
　　
　�。秤脩舫绦蚝万�(qū)動(dòng)程序
　　
　�。常�１驅(qū)動(dòng)程序的編寫
　　
　　該系統(tǒng)需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，即通用驅(qū)動(dòng)和下載固件的驅(qū)動(dòng)。通用驅(qū)動(dòng)完成與外設(shè)和用戶程序的通信及控制；而下載固件的驅(qū)動(dòng)則只負(fù)責(zé)在外設(shè)連接ＵＳＢ總線后把特定的固件程序下載到ＦＸ２的ＲＡＭ中，使ＦＸ２的ＣＰＵ重啟，模擬斷開與ＵＳＢ總線的連接，完成對(duì)外設(shè)的重新設(shè)置。主機(jī)根據(jù)新的設(shè)置安裝通用驅(qū)動(dòng)程序，重新枚舉外設(shè)為一個(gè)新的ＵＳＢ設(shè)備。
　　
　　通用驅(qū)動(dòng)程序一般不需要重新編寫，用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司已經(jīng)編好的驅(qū)動(dòng)ｅｚｕｓｂ．ｓｙｓ；而下載固件的驅(qū)動(dòng)則必須定做，其詳細(xì)操作過(guò)程見參考文獻(xiàn)[２]。
　　
　�。常�２用戶程序的編寫
　　
　　用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，它通過(guò)通用驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)外設(shè)的控制和通信。在編寫用戶程序時(shí)，首先要建立與外設(shè)的連接，然后才能實(shí)施數(shù)據(jù)的傳輸。啟動(dòng)采樣后，為了保證不丟失數(shù)據(jù)，用戶程序應(yīng)該建立一個(gè)新的工作線程專門獲取外設(shè)傳來(lái)的數(shù)據(jù)。程序中主要用到兩個(gè)ＡＰＩ函數(shù)：ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()。ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）取得設(shè)備句柄后，ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()根據(jù)該句柄完成數(shù)據(jù)傳輸。程序代碼簡(jiǎn)要如下：
　　
　�。瑁模澹觯椋悖澹剑茫颍澹幔簦澹疲椋欤�(″＼＼＼＼．＼＼ＥＺＵＳＢ－０″)
　　
　�。牵牛危牛遥桑茫撸遥牛粒模�ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＷＲＩＴＥ,
　　
　�。疲桑蹋牛撸樱龋粒遥牛撸祝遥桑裕�,
　　
　�。危眨蹋�,
　　
　�。希校牛危撸牛兀桑樱裕桑危�,
　　
　　Ｆ
　　
　　
　　
　�。桑蹋牛撸粒裕裕遥桑拢眨裕牛撸危希遥停粒�,
　　
　�。危眨蹋�);
　　
　　Ｉｆ(ｈＤｅｖｉｃｅ＝＝ＩＮＶＡＬＩＤ＿ＨＡＮＤＬＥ＿ＶＡＬＵＥ)
　　
　　{
　　
　�。粒穑穑欤椋悖幔簦椋铮睿�＞ＭｅｓｓａｇｅＢｏｘＡ(“無(wú)法創(chuàng)建設(shè)備，請(qǐng)確認(rèn)設(shè)備是否連上！”,ＮＵＬＬ,ＩＤＯＫ);
　　
　　}
　　
　　ｅｌｓｅ
　　
　　{
　　
　�。模澹觯椋悖澹桑铮茫铮睿簦颍铮�(
　　
　　ｈＤｅｖｉｃｅ,
　　
　�。桑希茫裕蹋撸牛冢眨樱拢撸拢眨蹋耍撸祝遥桑裕�,
　　
　　＆ｂｌｋｃｔｌ,
　　
　�。螅椋�ｅｏｆ(ＢＵＬＫ＿ＴＲＡＮＳＦＥＲ＿ＣＯＮＴＲＯＬ),
　　
　　＆ｉｎＢｕｆｆｅｒ,／／定義的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
　　
　�。螅椋�ｅｏｆ(ｉｎＢｕｆｆｅｒ),
　　
　�。Γ睿拢�ｔｅｓ,
　　
　　ＮＵＬＬ);
　　
　　……
　　
　　}
　　
　　程序框圖如圖５所示。
　　
　　在該高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，ＣＹ７Ｃ６８０１３芯片靈活的接口和可編程特性簡(jiǎn)化了外部硬件的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，也利于ＰＣＢ板的制作與調(diào)試。另外，ＵＳＢ設(shè)備的可熱插拔特性使得該系統(tǒng)具有便攜式的特點(diǎn)，使用方便，無(wú)需關(guān)機(jī)重啟或打開機(jī)箱進(jìn)行安裝。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某型雷達(dá)的便攜式故障檢測(cè)與維修系統(tǒng)，取得了良好的效果。
　　

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