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具有USB2.0接口的高速數據采集卡設計
摘要：討論基于USB接口的高速數據采集卡的設計與實現。詳細講述數據采集卡的硬件部分設計，并簡要介紹固件程序、驅動程序和應用軟件的設計。關鍵詞：USB2.0FPFOFPGA固件程序主從系統
引言
數據采集在現代工業生產及科學研究中的重要地位日益突出，并且實時高速數據采集的要求也不斷提高。在信號測量、圖像處理、音頻信號處理等一些高速、高精度的測量中，都需要進行高速數據采集。現在通用的高速數據采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，這些采集卡存在很多缺點，比如安裝麻煩，價格昂貴，尤其是受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差。
通用串行總線USB是用來連接外圍設備與計算機之間的新式標準接口總線。它是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價的并可以實現熱拔插的串行接口。USB技術是為實現計算機和通信集成而提出的一種用于擴充PC體系結構的工業標準。基于USB接口的高速數據采集卡，充分利用了USB總線的優點，它也必將被越來越多的用戶所接受。
1USB數據采集卡原理
1.1USB簡介
USB是英文UniversalSerialBus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它支持在主機與各式各樣即插即用的外設之間進行數據傳輸。它由主機預定傳輸數據的標準協議，在總線上的各種設備分享USB總線帶寬。當總線上的外設和主機在運行時，允許自由添加、設置、使用以及拆除一個或多個外設。USB總線技術的提出就是想利用單一的總線技術，來滿足多種應用領域的需要。USB1.1協議支持兩種傳輸速度，即低速1.5Mbps和高速12Mbps。為了在高速接口之爭中占有一席之地，2000年發布了USB2.0協議，它向下兼容USB1.1協議，數據的最高傳輸速率提高到480Mbps，這就使USB對打印機和其它需要快速傳遞大容量數據的外設更具吸引力。
為了滿足實際數據采集USB傳輸速度較高的需要，選擇了Cypress公司的內置USB接口微控制器芯片EZUSBFX2系列，開發了具有USB接口的高速數據采集卡。
1.2系統框圖
USB系統是一個主從系統，而非對等（peer-to-peer）系統。在主從系統中，命令是由主設備發出，而從設備只能接收命令，只有在主設備讀取數據時，從設備才能提交數據。如圖1所示，在USB控制器與外圍電路之間需要一個FIFO，來充當數據的緩存區。那么，在USB從設備向主設備發送數據時存在一個問題：FIFO多大才能滿足要求。為了滿足數據采集中高速實時流數據垢應用，避免FIFO溢出，在我們的系統中，通過FPGA及SDRAM構造一個容量的FIFO（圖1虛線框內所示），可以提供一個低成本并能滿足高速實時流數據傳輸的解決方案。
圖2
2USB數據采集卡硬件
2.1EZ-USBFX2（CY7C68013）芯片
Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片是最早符合USB2.0協議的微控制器之一，它集成了符合USB2.0協議的收發器（transceiver），串行接口引擎（SIE），增強型的8051內核以及可編程的外圍接口。FX2系列芯片獨特的結構使得數據傳輸速度最高可達56Mbps，最大限度地滿足了USB2.0的帶寬。
EZ-USBFX2的微處理器是一個增強型的8051內核，性能可達標準8051的5～10倍，并與標準8051的指令完全兼容。增強型的8051內核使用RAM世馘作程序指令和數據存儲器，從而使得EZ-USBFX2具有“軟”特性，也就是說，可以通過自行編寫程序指令來實現所需的功能。EZ-USBFZ2使用增強型SIE/USB接口（稱為USB核），通過執行USB部本身的協議來簡化8051代碼編寫的工作。這樣采用硬件完成USB塄，簡化了固件代碼的編制。對于固件代碼的使用，主機通過軟件下載的方法實現。這種方法充分利用FZ2內部的8KBRAM來裝載8051代碼和數據。由于EZ-USBFZ2具有重新枚舉的能力，所以在初始化枚舉時，用戶并不需要斷天設備就可以裝載新的描述符。設備描述符和8051程序代碼都能通過主機中的磁盤文件下載，只有制造商號、產品號和設備號從啟動時從一個16字節的EEPROM下載到硬件中的。通過這種方式，可以比較容易地從主機升級軟件和修改USB總線設備的固件代碼。
EZ-USBFX2的通用可編程接口GPIF以及Master/Slave端點FIFO所對應的8/16位數據總線，可以很容易地實現FX2與當前一些主流通過接口（如ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和大部分DSP處理器）的互連。它共有7個端點，端點0，端點1和IN和OUT，還有端點2、4、6和8。其中，前3個端點的大小是固定的64字節，后4個端點默認大小是2級512字節的FIFO，端點2和端點4默認是OUT端點，端點6和端點8默認是IN端點，而端點2和6分別可以定義為2級、3級或4級的存儲器，每級的大小也可以是512字節或1024字節。從EZ-USBFX2方向來看，一個端點相當于通過總線收發數據的緩沖區，EZ-USBFX2從OUT緩沖區中讀取端點數據，將通過USB傳的端點數據寫入IN緩沖區。它求全責備速（12Mbps）和
高速（480Mbps）傳輸速率，并具有USB協議所規定的4種傳輸方式，即控制方式（controlmode）、中斷傳輸方式（interruptmode）、批量傳輸方式（bulkmode）和等時傳輸方式（isochronousmode）。
EZ-USBFX2系列是基于RAM的“軟”結構，在開發過程中允許無限制設置和升級；它支持全速USB總線吞吐量的傳輸，使用EZ-USBFX2進行設計，可以不受端點數、緩沖區大小和傳輸速度的限制；此外，其內核中做了大量的輔助指令，簡化了編碼，同時也加快了對USB特性的了解。基于以上EZ-USBFX2系列芯片的特性，在開發的過程中，采用了EZ-USBFX2系列中的CY7C68013芯片（128引腳），其簡化結構如圖2所示。
FX2可配置成三種不同的接口模式Ports、GPIFMaster和SlaveFIFO，本項目采用SlaveFIFO模式。在該模式下，外部邏輯或外部處理器直接連接到FX2的端點FIFO，GPIF沒有被激活，因為外部邏輯可以直接控制FIFO，所以FIFO的基本控制信號（標志、片選、使能）由FX2的引腳引出。外部控制可以是同步或異步，可以使用內部時鐘，也可以向FX2的接口提供外部時鐘。
2.2FPGA芯片EP1C6-Q240
在本設計中，所用的FPGA采用Altera公司最新的CYCLONE芯片EP1C6-Q240。它是一款高速價比的FPCA芯片，工作電壓為1.5V，采用0.13μm工藝技術，全銅SRAM工藝，其存儲器密度可達5980個邏輯單元，包含20個128×36位的RAM塊，總的RAM空間達到92160位，內嵌了2個鎖相環電路和一個用于連接SDRAM的特定雙數據率（deficateddatarate）接口。此外，該芯片還支持多種不同的I/O標準（包括PCI接口，可連接ASSP和ASIC設備的接口以及串行設備接口等）。
這里FPGA的作用除了與SDRAM構成一個大容量的FIFO以外，還需要完成一些控制功能。對于本文的應用，需要完成HDB3碼到NRZ碼的轉換及數據的串并轉換等。具體問題要具體分析，用戶可根據自己的需求對FPGA進行編程。
2.3A/D轉換芯片MAX1180
MAX1180是Maxim公司的雙通道105Msps、3.3V工作電壓、低功耗的高速A/D芯片，采樣數據10位電平量化。它是采用差分輸入，帶有寬帶跟蹤/保持（track-and-hold）的雙通道9級流水線型結構的ADCs，如圖3所示。實際的芯片包括兩個圖示的電路，作為輸入的兩路通道，互不干擾。各路采樣信號每半個時鐘周期通過一個STAGE，完成連續轉換到數據輸出共需5個時鐘周期。每個流水線首先通過一個1.5位的快閃ADC對輸入電碼量化，然后再由DAC產生一個對應于量化結果的電壓并與輸入電壓作差，輸出電壓放大2倍后送到下一級流水線處理。A/D-D/A兩次變化以及差分處理的目的在于進行差錯校正，以保證在流水線上的各個階段，ADC的偏移量得到補償并且無代碼丟失。
2.4硬件連接
根據系統對數據傳輸的速度和實時性的要求，配置CY7C68013工作的接口模式為SlaveFIFO模式。當進行數據采集時，硬件連接方式如圖4所示。
A/D轉換器的采樣時鐘同時作為CY7C68013的SlaveFIFO模式的讀寫控制時鐘，即CY7C68013的接口時鐘連接到IFCLK引腳。SCWR/SLRD是CY7C68013SlaveFIFO的寫使能/讀允許信號。FPGA向C7C68013SlaveFIFO提供SlaveFIFO輸出允許信號SLOE，僅在數據輸出時有效。FD[15:0]為16位雙向數據總線。FIFOADR1：0》為端點FIFO選擇信號。在數據輸入時固定為00，選擇的是端點2；在數據輸出時固定為10，選擇的是端點6。
3USB數據采集卡軟件
軟件設計是一個USB設備開發的必備環節。USB應用系統軟件設計分為三部分：初始化軟件、主機操作系統上的客戶驅動程序以及主機應用程序。初始化軟件是下載到控制器中的固件代碼，它響應各種來自系統的USB標準請求（包括USB設備的枚舉、驅動程序的選擇加載等），完成連接設備和主機的任務。主機應用軟件通過客戶驅動程序與系統USBI（USBDeviceInterface）進行通信，其主要任務是將采集進來的數據流，根據所需處理功能的要求來完成各種基于Windows程序的處理。
3.1EZ-USBFX2的初始化
通過固件程序的調度，主機才能得到設備的描述符以及完成端點數據的傳輸。對于固件程序的編程，其基本結構如下：
①初始化，包括處理器和外圍電路的初始化；
②主函數，包括完成符合設備特定要求的代碼；
③中斷處理，包括處理各種中斷的程序代碼。
總
的來說，固件程序的編寫有兩種方式。其一，對于熟悉8051匯編語言的用戶來說，可以直接利用匯編語言編寫結構緊湊、高效率的固件代碼；其二，EZ-USB以利用現成的固件程序框架函數，根據設備的需求添加相慶的用戶，來完成特定的目的。
為了加快USB接口的開發過程，利用EZ-USBFX2提供的一些框架函數來簡化用戶代碼，使用相應端口（端口2輸入，端口6輸出）利用EZ-USBFX2的SlaveFIFO結構采用此處理傳輸，基本的固件程序框架函數如下：
voidTD_Init(void)//該函數用來完成EZ-USBFX2的初始化
{CPUCS=0x10；//工作頻率48MHz
IFCONFIG=0xC3;//決定FX2的工作模式（slaveFIFO）及相關設置
IN07VAL=bmEP2;
OUT07VAL=bmEP6;//使能端點2輸入和端點6輸出
…
EP2FIFOCFG=0x6D;//AUTOOUT=0,AUTOIN=1，WORDWIDE=1
SYNCODELAY；
EP6FIFOCFG=0x75;//AUTOOUT=1，AUTOIN=0，WORDWIDE=1
SYNCDELAY；//對端點2和端點6的配置，WORDWIDE=1配置的是使用16位數據線。
EP2CFG=0xEA;//端點2：輸入、批量傳輸、最大包字節為1024，雙緩沖
SYNCDELAY；
EP6CFG=0xAA;//端點6：輸出、批量傳輸、最大包字節為1024、雙緩沖
SYNCDELAY；
}
voidTD_Poll(void)//此函數在設備運行時反復被調用，它包括完成用戶任務的函數
{
}
BOOLTD_Suspend(void)//該函數在設備進行掛起狀態前調用
{
return(TRUE);
}
BOOLTD_Resume(void)//設備重啟后調用
{
return(TRUE);
}
在整個固件程序中，EZ-USBFX2設備上電或復位后，首先對所有的內部狀態變量初始化，隨后調用TD_Init()函數，并開中斷，此時固件程序不斷檢測控制端口0是否收到SETUP包。一旦收到，固件程序就開始調用用戶函數TD_Poll()，其中用戶需要完成的功能代碼就在TD_Poll()函數一。調用完成后，重復檢測端口0是否收到SETUP包，若有，繼續執行設備請求，調用TD_Poll（）函數；否則，檢測USB核是否有USB掛起事件，若有，調用TD_Suspend()函數，其返為真時，檢測USB核是否有重新開始事件，沒有時，設備進入掛起狀態，反之，調用TD_Resume()，進行下一次循環；當TD_Suspend()函數返回為假時，直接轉入下次循環。
此外，固件程序框架中還定義了許多中斷處理函數，當用到時可以在相應的九加入自己編寫的代碼，這樣既清晰又便于理解，用戶就可以在不用改變整個程序的前提下，僅僅通過改變相應的模塊，來實現自己的功能。
3.2主機軟件部分
主機軟件部分包括USB客戶驅動程序主和機應用程序。USB客戶驅程序是支持即插即用功能的標準WDM驅動程序，它為實現控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸提供了標準接口函數。而主機應用程序的作用在于與操作系統相互作用，當操作系統認為有新設備接入時，就會自動調用相應的設備驅支以。加之該軟件需要一個圖形用戶界面來控制所用的函數，這里采用VC++來編制應用程序，利用CreateFile得到USB句柄，用DeviceIoControl來向設備驅動程序發送請求，完成在EZ-USBFX2中的數據批傳輸的讀取與寫入。程序實例如下：
HANDLEDeviceHandle；
DeviceHandle=CreateFile(\\.\ezusb0，GENERIC_WRITE，
FILE_SHARE_WRITE，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL）；
//得到設備ezusb0的句柄
DeviceIoControl(DeviceHandle,
IOCT
L_EZUSB_BULK_WRITE,
LPVOIDlpInBuffer,//；輸入數據存儲地址指針
Sizeof(BULK_TRANSFER_CONTROL),
LPVOIDlpOutBuffer,//輸出數據存儲地址指針
DWORDnOutBufferSize，//輸出緩存大小
LPDWORDlpBytesReturned,//接收輸出數據字節計數器變量的指針
NULL）；
//寫數據到EZ-USBFX2設備
DeviceIoControl(DeviceHandle,IOCTL_EZUSB_BULK_READ,
LPVOIDlpInBuffer,//輸入數據存儲地址地
Sizeof(BULK_TRANSFER_CONTROL),
LPVOIDlpOutBuffer,//輸出數據存儲地址批晚霞
DWORDnOutBufferSize,//輸出緩存大小
LPDWORDlpBytesReturned,//接收輸出數據字節計數器變量的指針
NULL）；
//從EZ-USBFX2設備中讀數據
ColseHandle(DeviceHandle);//關閉USB句柄
結語
本項目的目的是將信號處理電路中輸出的信號（I、Q兩路），通過模數轉換，在滿足10Mbps傳輸速率的基礎上，通過USB接口完成數據寫入硬盤的工作。事實證明，基于USB2.0接口的高速數據采集卡完全滿足設計要求。可以預見，基于USB2.0接口的高速數據采集卡一定會有廣闊的應用空間。
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