摘要：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將傳感器輸出的模擬信號進行采集，轉換成數(shù)字信號，然后送入計算機進行處理，并按所需要的形式輸出處理結果的系統(tǒng)。但在一些應用場合，數(shù)據(jù)采集后無法立即進行數(shù)據(jù)分析，因而把數(shù)據(jù)存入記錄器，事后由讀數(shù)裝置把數(shù)據(jù)從記錄器中讀取到計算機中處理分析。為此介紹了一套基于USB和FPGA的讀數(shù)裝置，利用該裝置可以將記錄器中的數(shù)據(jù)讀取到計算機上。
關鍵詞：USB；FPGA；CY7C68013
數(shù)據(jù)采集在信息處理系統(tǒng)中占有不可替代的地位，它是以傳感器、信號測量與處理、微型計算機等技術為基礎而形成的，主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等作業(yè)，具有很強的實用性。數(shù)據(jù)采集技術已經(jīng)在雷達、通信、水聲、遙感、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動化以及生物醫(yī)學工程等眾多領域得到廣泛的應用。數(shù)據(jù)采集器一般包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理傳輸部分。前者包括信號的濾波、放大、采樣、保持、轉換、存儲等部分，后者包括數(shù)據(jù)讀取、傳輸及微機接口部分。
1 系統(tǒng)結構及硬件電路設計
1．1 系統(tǒng)的結構框圖及工作原理
本系統(tǒng)主要由四個模塊構成：FLASH存儲器模塊、FPGA控制模塊、USB接口控制模塊及電源模塊。如圖1所示。
其工作原理是：FLASH模塊存儲數(shù)據(jù)，作為記錄器的數(shù)據(jù)源；FPGA模塊作為讀數(shù)裝置的控制器，讀取FLASH的數(shù)據(jù)并傳輸給USB控制接口模塊；USB控制芯片接收來自上位機的命令，并與FPGA通信來執(zhí)行用戶需要的操作；電源模塊為各模塊提供穩(wěn)定電源。
1．2 電源管理模塊
本系統(tǒng)中芯片的工作電壓有5 V、3．3 V、2．5 V。由于計算機的USB接口可以提供5 V電源，最大為500 mA的電流，對于此系統(tǒng)已足夠，所以本系統(tǒng)的5 V電源直接由USB供電，并利用5 V電源經(jīng)過電壓調節(jié)器AMS1117調整出3．3 V和2．5 V電源。
1．3 FPGA模塊
本設計的FPGA采用XILINX公司的Spartan-2系列的XC2S50，包括FPCA配置電路和FPGA時鐘電路及接口配置。
FPGA的配置方式靈活多樣，本設計根據(jù)芯片是否能夠自己主動加載配置數(shù)據(jù)以及比特流的位寬，利用主串模式進行配置FPCA，如圖2所示。在FPGA的輸出端口上為每個端口連接了一個電阻，起到耦合限流的作用，使外部接口與FPGA進行匹配，防止電流過大等不良影響而燒壞芯片。
1．4 USB接口模塊
一般USB的接口芯片種類大致可分為：主控制器、根集線器、接口芯片以及具有USB接口的微控制器。本設計利用的是EZ-USB FX2LP系列的CY7C68013A-128PIN芯片。
本設計采用0XC0的EEPROM啟動方式。即在EEPROM中首字節(jié)寫入0XC0，并將VID、PID、DID和配置字節(jié)寫入EEPROM。芯片上電后，將這些數(shù)據(jù)復制到片內存儲器，并將其發(fā)送給主機，由主機根據(jù)ID數(shù)據(jù)選擇合適的固件程序下載到USB芯片內。本設計使用具有I2C總線接口的串行EEPROM芯片AT24C64。AT24C64具有8192 x 8位容量，可重復擦除100萬次。
1．5 FLASH存儲器模塊
FLASH存儲器存儲著記錄器的數(shù)據(jù)，本設計的目的就是從FLASH中讀取數(shù)據(jù)并傳入計算機進行保存。本設計采用SAMSUNG公司的K9F5608UO D NAND FLASH存儲器。其特點如下：存儲單元陣列為(32M+1024k)bit×8bit；總共64k的塊，每塊含32頁，每頁為512+16字節(jié)；以頁為單位編程(200μs典型編程時間)，以塊為單位擦除(2ms典型擦除時間)；命令、地址、數(shù)據(jù)復用端口；提供硬件數(shù)據(jù)保護功能。
本設計的硬件連接電路如圖3所示。其中MAX1658為K9F5608UOD提供電源，排阻起到耦合限流作用。
2 軟件程序設計
2．1 FPGA各模塊程序設計
本設計的FPGA程序采用Xilinx公司的ISE軟件。它提供給用戶一個從設計輸入到綜合、布線、仿真、下載的全套解決方案，并可以很方便的與其他EDA工具接口。
本設計中原理圖輸入采用其中的第三方軟件ECS，HDL綜合使用XST，測試臺輸入是圖形化的HDL Bencher，仿真使用Modelsim SE。簡要的流程如下：
建立工程項目；綜合；仿真；定義輸入輸出管腳約束；布局布線；下載配置。
FLASH模塊程序設計中FLASH控制模塊對FLASH存儲器K9F5608UOD執(zhí)行各種操作。K9F5608UOD芯片提供了8種命令，即8種操作：①讀1操作；②讀2操作；③讀ID操作；④復位操作；⑤頁編程操作；⑥復制回讀操作；⑦塊擦除操作；⑧讀狀態(tài)操作。
2．2 CY7C68013固件程序開發(fā)
USB功能設備的硬件功能主要由硬件上的微處理器來實現(xiàn)，因此需要為USB設備編寫固件程序。本設計的USB固件程序開發(fā)中，使用Keil Software公司推出的51系列兼容單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)Keil μVision3。
圖4所示為68013A的固件程序流程圖，下面介紹如何編程。本設計采用固件框架中的Dscr．a(chǎn)51文件，修改設備描述符中的ID碼和字符串描述符，并修改相應的端口配置，其余保持默認狀態(tài)。主機發(fā)送8字節(jié)的SETUPDAT數(shù)據(jù)包后，68013A將其進行解碼存入SETUPDAT寄存器中。
SETUPDAT[1]中存儲著USB發(fā)出的請求碼。在固件程序中使用switch-case語句對不同的請求碼進行分析，分別進行相應的響應。
對于標準USB請求，在CY3684開發(fā)包內已有完善的函數(shù)框架，本設計在保持其默認狀態(tài)下，修改其中的處理函數(shù)，使其符合本設計的要求。在Fw．c文件中，最主要的兩個函數(shù)為Main( )函數(shù)和SetupCommand( )，其中Main( )函數(shù)控制整個68013A的程序流程，SetupCommmad( )則對不同的設備請求進行分析，并調用響應的執(zhí)行程序。
在本設計需要使用自定義請求來介紹上位機的FLASH操作命令，因此需要在USB固件程序中聲明自定義請求。自定義請求和標準USB請求放在一起，但不能和已有的請求號相沖突。同時還需要編寫自定義請求對應的處理函數(shù)。程序框架如下：
此請求包處理放在SetupCommand(vdd)函數(shù)內。
對于對應的處理函數(shù)則在Pefiph．c文件中進行定義。所有的USB設備請求響應函數(shù)，中斷函數(shù)都在此文件中定義。同時設備初始化函數(shù)TD_Init( )，用戶功能函數(shù)TD_Poll( )，掛起函數(shù)TD_Suspend( )和USB復位函數(shù)( )也都在此文件中定義。
本設計采用在上位機發(fā)送自定義請求A1，并在自定義請求中包含對FLASH操作的命令字，68013A在分析得到自定義請求A1后，在自定義請求A1中把命令字保存入一個全局變量，在用戶功能函數(shù)TD_Poll( )中執(zhí)行對命令字的分析并調用相應的FLASH操作函數(shù)。對于傳輸?shù)缴衔粰C上的數(shù)據(jù)通過自定義請求A2、A3來執(zhí)行。
3 結論
本設計根據(jù)USB總線技術、FPGA技術及面向對象程序設計方法，對電路的組成原理、接口電路設計、系統(tǒng)控制信號的設計及USB上位機程序的設計做出詳細的說明，設計出基本符合課題要求的USB讀數(shù)裝置及上位機程序，基本完成了工作要求。當然本設計在USB接口的速度方面還需考慮更完善的方案。希望在以后的學習工作中能夠改進。
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