基于USB總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
摘要：介紹了一種基于ＵＳＢ總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，討論了ＵＳＢ控制器ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２?ＣＹ７Ｃ６８０１３?的性能及傳輸方式?給出了該系統(tǒng)的硬件和基于ＧＰＩＦ主控方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O計方法。關鍵詞：ＵＳＢ；數(shù)據(jù)采集；ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２；ＧＰＩＦ
１ 引言
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高。目前比較通用的是在ＰＣ或工控機內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡（如Ａ／Ｄ卡及４２２、４８５卡）。但這些數(shù)據(jù)采集設備存在以下缺陷：安裝麻煩、價格昂貴、受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差，同時在一些電磁干擾性強的測試現(xiàn)場，可能無法專門對其作電磁屏蔽，從而導致采集的數(shù)據(jù)失真。
傳統(tǒng)的外設與主機的通訊接口一般是基于ＰＣＩ總線、ＩＳＡ總線或者是ＲＳ－２３２Ｃ串行總線。ＰＣＩ總線雖然具有較高的傳輸速度（１３２Ｍｂｐｓ），并支持“即插即用”功能，但其缺點是插拔麻煩，且擴展槽有限（一般為５～６個），ＩＳＡ總線顯然存在同樣的問題。ＲＳ－２３２Ｃ串行總線雖然連結(jié)簡單，但其傳輸速度慢（５６ｋｂｐｓ），且主機的串口數(shù)目也有限。
通用串行總線（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ，簡稱ＵＳＢ）是１９９５年康柏、微軟、ＩＢＭ、ＤＥＣ等公司為了解決傳統(tǒng)總線的不足，而推出的一種新型串行通信標準。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢�；冢眨樱碌臄�(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用ＵＳＢ總線的上述優(yōu)點，有效地解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺陷。ＵＳＢ的規(guī)范能針對不同的性能價格比要求提供不同的選擇，以滿足不同的系統(tǒng)和部件及相應不同的功能，從而給使用帶來極大方便。
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２ 系統(tǒng)介紹
２．１ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構與功能
常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構如圖１所示。其中數(shù)據(jù)采集接口卡是硬件部分的核心，它包括Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、微控制器、ＵＳＢ通信接口等。
在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中?由于現(xiàn)場輸入信號是高頻模擬信號，因而信號的變化范圍都比較大?如果采用單一的增益放大?那么放大以后的信號幅值有可能超過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的量程?所以必須根據(jù)信號的變化相應地調(diào)整放大器的增益。在自動化程度較高的系統(tǒng)中?希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益?ＡＤ８３２１正是這樣一種具有增益可編程功能的芯片。ＡＤ８３２１是美國ＡＤ公司生產(chǎn)的一種增益可編程線性驅(qū)動器。它具有頻帶寬、噪聲低、增益可編程且易于與單片機進行串行通信等優(yōu)點，十分適合在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中做前置放大。
經(jīng)過調(diào)理后的信號可送入模／數(shù)變換器（ＡＤＣ）進行Ａ／Ｄ變換。筆者選用的ＡＤＣ是ＴＬＣ５５４０，它是一種高速８位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能以高達每秒４０Ｍ的采樣速率進行轉(zhuǎn)換，由于采用半閃速結(jié)構和ＣＭＯＳ工藝制造，因此功耗和成本很低。其７５ＭＨｚ（典型值）的模擬輸入帶寬使該器件成為欠采樣應用的良好選擇。該器件帶有內(nèi)部電阻，可用于從５Ｖ電源產(chǎn)生２Ｖ滿度的基準電壓，以減少外部元件數(shù)。數(shù)字輸出置于高阻方式。它僅需要５Ｖ電源工作，可由ＵＳＢ總線供電。
由于數(shù)據(jù)采集接口卡是硬件部分的核心，因此應選擇能適用ＵＳＢ協(xié)議的合適芯片。ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２是一種ＵＳＢ２．０集成微控制器。它的內(nèi)部集成了ＵＳＢ２．０收發(fā)器、串行接口引擎（ＳＩＥ）、增強的８０５１微控制器和一個可編程的串行接口。其主要特性如下：
●帶有加強的８０５１內(nèi)核性能，可達到標準８０５１的５～１０倍，且與標準８０５１的指令完全兼容；
●集成度高，芯片內(nèi)部集成有微處理器、ＲＡＭ、ＳＩＥ（串行接口引擎）等多個功能模塊，從而減少了多個芯片接口部分需要時序配合的麻煩；
●采用軟配置，在外設未通過ＵＳＢ接口接到ＰＣ機之前，外設上的固件存儲在ＰＣ上；而一旦外設連接到ＰＣ機上，ＰＣ則先詢問外設是“誰”（即讀設備描述符），然后將該外設的固件下載到芯片的ＲＡＭ中，這個過程叫做再枚舉。這樣，在開發(fā)過程中，當固件需要修改時，可以先在ＰＣ機上修改好，然后再下載到芯片中；
●具有易用的軟件開發(fā)工具，該芯片開發(fā)系統(tǒng)的驅(qū)動程序和固件的開發(fā)和調(diào)試相互獨立，可加快開發(fā)的速度。
圖2 USB接口示意圖
２．２ 方案選擇
ＦＸ２有三種可用的接口模式：端口、ＧＰＩＦ主控和從ＦＩＦＯ。
在“端口”模式下，所有Ｉ／Ｏ引腳都可作為８０５１的通用Ｉ／Ｏ口。
在“從ＦＩＦＯ”模式下，外部邏輯或外部處理器直接與ＦＸ２端點ＦＩＦＯ相連。在這種模式下，ＧＰＩＦ不被激活，因為外部邏輯可直接控制ＦＩＦＯ。這種模式下，外部主控端既可以是異步方式，也可以是同步方式，并可以為ＦＸ２接口提供自己的獨立時鐘。
“ＧＰＩＦ主控”接口模式使用ＰＯＲＴＢ和ＰＯＲＴＤ
構成通向四個ＦＸ２端點ＦＩＦＯ（ ＥＰ２? ＥＰ４? ＥＰ６和ＥＰ８）的１６位數(shù)據(jù)接口。ＧＰＩＦ作為內(nèi)部的主控制器與ＦＩＦＯ直接相連，并產(chǎn)生用戶可編程的控制信號與外部接口進行通信。同時，ＧＰＩＦ還可以通過ＲＤＹ引腳采樣外部信號并等待外部事件。由于ＧＰＩＦ的運行速度比ＦＩＦＯ快得多，因此其時序信號具有很好的編程分辨率。另外，ＧＰＩＦ既可以使用內(nèi)部時鐘，也可以使用外部時鐘。故此，筆者選擇了ＧＰＩＦ模式。
高速數(shù)據(jù)采集卡的設計存在兩大難點：一是模擬信號的Ａ／Ｄ高速轉(zhuǎn)換；二是變換后數(shù)據(jù)的高速存儲及提取。對于第一個問題，由于制造ＡＤＣ的技術不斷進步，這個問題已經(jīng)得到解決。而對于第二個問題，一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)先存儲在外部數(shù)據(jù)存儲器中，然后再對其進行處理。對于高速數(shù)據(jù)采集而言，這種方式將嚴重影響采集速度，且存儲值也會受到很大限制。而改進方案是將Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接送至計算機內(nèi)存，這樣，采集速度將大大提高，而且可存儲大量數(shù)據(jù)，以便于下一步的處理。
為了解決同步問題，可以由ＣＰＬＤ產(chǎn)生同步時鐘信號提供給ＡＤＣ和ＦＸ２。在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計中，ＣＰＬＤ同時還可用于產(chǎn)生不同的控制信號，以便對采樣進行實時控制。ＣＰＬＤ是復雜可編程邏輯器件，它包括可編程邏輯宏單元、可編程Ｉ／Ｏ單元和可編程內(nèi)部連線。由于ＣＰＬＤ的內(nèi)部資源豐富，因而可廣泛應用在數(shù)據(jù)采集、自動控制、通訊等各個領域。在本系統(tǒng)的設計中，筆者選用的ＣＰＬＤ是Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ｉｓｐＬＳＩ１０１６。圖２所示是其整個ＵＳＢ接口卡的硬件電路圖。
３ 系統(tǒng)軟件設計
該系統(tǒng)軟件主要包括ＵＳＢ設備驅(qū)動程序、設備固件和應用程序。
３．１ 設備固件（Ｆｉｒｍｗａｒｅ）設計
設備固件是設備運行的核心，可采用匯編語言或Ｃ語言設計。其主要功能是控制ＣＹ７Ｃ６８０１３接收并處理ＵＳＢ驅(qū)動程序的請求（如請求設備描述符、請求或設置設備狀態(tài)，請求或設置設備接口等ＵＳＢ２．０標準請求）、控制芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３接收應用程序的控制指令、控制Ａ／Ｄ模塊的數(shù)據(jù)采集、通過ＣＹ７Ｃ６８０１３緩存數(shù)據(jù)并實時上傳至ＰＣ等。
即使外部邏輯或內(nèi)置的普通可編程接口(ＧＰＩＦ)在沒有ＣＰＵ的任何干涉下能夠通過四個大的端點ＦＩＦＯ來處理高速寬帶數(shù)據(jù)，固件還是有如下固定的工作：
●配置端點；
●通過控制端點零來響應主機請求；
●控制和監(jiān)測ＧＰＩＦ的活動；
●利用ＵＳＡＲＴ處理所有的特殊請求任務，如計時器、中斷、Ｉ／Ｏ引腳等。
３．２ ＵＳＢ設備驅(qū)動程序開發(fā)
ＵＳＢ系統(tǒng)驅(qū)動程序采用分層結(jié)構模型?分別為較高級的ＵＳＢ設備驅(qū)動程序和較低級的ＵＳＢ函數(shù)層。其中ＵＳＢ函數(shù)層由兩部分組成：較高級的通用串行總線驅(qū)動程序模塊（ＵＳＢＤ）和較低級的主控制器驅(qū)動程序模塊（ＨＣＤ）。
在上述ＵＳＢ分層模塊中，ＵＳＢ函數(shù)層（ＵＳＢＤ及ＨＣＤ）由Ｗｉｎｄｏｗｓ提供，負責管理ＵＳＢ設備驅(qū)動程序和ＵＳＢ控制器之間的通信；加載及卸載ＵＳＢ驅(qū)動程序；與ＵＳＢ設備通用端點（ｅｎｄｐｏｉｎｔ）建立通信并執(zhí)行設備配置、數(shù)據(jù)與ＵＳＢ協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務。目前?Ｗｉｎｄｏｗｓ提供有多種ＵＳＢ設備驅(qū)動程序，但并不針對實時數(shù)據(jù)采集設備，因此需采用ＤＤＫ開發(fā)工具來設計專用的ＵＳＢ設備驅(qū)動程序。該設備驅(qū)動程序應由初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊以及Ｉ／Ｏ功能等四個模塊來實現(xiàn)。
初始化模塊可提供一個ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ入口點以執(zhí)行大量的初始化函數(shù)。
即插即用管理模塊用來實現(xiàn)ＵＳＢ設備的熱插拔及動態(tài)配置。當硬件檢測到ＵＳＢ設備接入時，Ｗｉｎｄｏｗｓ查找相應的驅(qū)動程序，并調(diào)用它的ＤｒｉｖｅｒＥｎ-ｔｒｙ例程，同時告訴它添加了一個設備；然后，驅(qū)動程序為ＵＳＢ設備建立一個ＦＤＯ（功能設備對象）。在此處理過程中，驅(qū)動程序收到一個ＩＲＰ ＭＮ ＳＴＡＲＴ ＤＥ-ＶＩＣＥ 的ＩＲＰ，在它之中包括有設備的資源信息。至此，設備被正確配置，驅(qū)動程序開始與硬件進行對話。當然，在設備運行過程中，如果設備狀態(tài)發(fā)生變化（拔除、暫停等），ＰｎＰ管理器也同樣發(fā)出相應的ＩＲＰ，以便由驅(qū)動程序進行相應的處理。
電源管理模塊負責設備的掛起與喚醒。
Ｉ／Ｏ功能實現(xiàn)模塊可完成Ｉ／Ｏ請求的大部分工作。當應用程序提出Ｉ／Ｏ請求時，它將調(diào)用Ｗｉｎ３２ ＡＰＩ函數(shù)ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ向設備發(fā)出命令，然后由Ｉ／Ｏ管理器構造一個ＩＲＰ并設置其ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ．域為ＩＲＰ ＭＪ ＤＥＶＩＣＥ ＣＯＮＴＲＯＬ。在ＵＳＢ設備驅(qū)動程序收到該ＩＲＰ后?它將取出其中的控制碼?并利用一個開關語句查找對應的程序入口。
３．３ 應用程序設計
應用程序設計由兩個部分組成：動態(tài)鏈接庫和應用程序。動態(tài)鏈接庫負責與內(nèi)核態(tài)的ＵＳＢ功能驅(qū)動程序通信并接收應用程序的各種操作請求，而應用程序則負責對所采集的數(shù)據(jù)進行實時顯示、分析和存盤。
動態(tài)鏈接庫的工作原理如下：當它收到應用程序開始采樣的請求后，首先創(chuàng)建兩個線程：采樣線程和顯
示存盤線程。采樣線程負責將采樣數(shù)據(jù)寫到應用程序提交的內(nèi)存；而顯示存盤線程則負責給應用程序發(fā)送顯示和存盤消息。當應用程序接收到此消息后，便從它提交的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并顯示和存盤。要注意的是：采樣線程和顯示存盤線程在讀寫應用程序提交內(nèi)存時要保持同步。
ＰＣ機或工控機應用程序是數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)的中心?可采用Ｌａｂｖｉｅｗ編程。它是當今國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，其特點如下：
（１） 能完成對固體表面速度的實時測量；
（２）主介面與多重窗口結(jié)合?可完成數(shù)據(jù)連續(xù)采集、實時統(tǒng)計分析、系統(tǒng)參數(shù)設置、信號波形顯示、被測參數(shù)輸出等綜合系統(tǒng)功能。
（３）能充分利用Ｌａｂｖｉｅｗ開發(fā)平臺和ＷＩＮＤＯＷＳ視窗所提供的良好操作環(huán)境?集曲線、圖形、數(shù)據(jù)于一體?可準確描述過程參數(shù)的變化。
圖３所示是用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集通過Ｌａｂ-ｖｉｅｗ顯示的一個波形實例，其輸入信號是一個頻率為５ＭＨｚ的正弦波。
４ 結(jié)束語
隨著電子計算機的廣泛應用，社會的數(shù)字化程度越來越高，數(shù)據(jù)采集也越來越重要，本系統(tǒng)是一種通用的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可用于生物電波、電子學頻譜、聲波分析等瞬態(tài)信號的實時采集和觀察等場合。其中基于ＵＳＢ總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有可靠性高、數(shù)據(jù)不丟失、抗干擾性強、便于數(shù)據(jù)傳輸和處理等優(yōu)點，因而具有良好的應用前景和很大的實用價值。
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