基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　通用串行總線（USB）支持熱插撥，真正的即插即用。USB1.1在全速傳輸時(shí)可以達(dá)到12Mbps的傳輸速率；低速傳輸時(shí)傳輸速率可達(dá)1.5Mbps。USB電纜線只有4根，兩根是電源線，傳送5V電源，可用來(lái)向設(shè)備供電；另外兩根是信號(hào)線，用來(lái)傳輸串行數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的RS－232串口比較，USB具有傳輸速度更快、集成化程度更高、編程化更好以及能夠支持多個(gè)設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。因此在我們的設(shè)計(jì)中用它來(lái)和主機(jī)接口實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信。

　　在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常采用單片機(jī)或DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)作為CPU,控制ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）、存儲(chǔ)器和其他外圍電路的工作。但是單片機(jī)的時(shí)鐘頻率較低，難以適應(yīng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，而DSP雖然可以實(shí)現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其速度提高的同時(shí)也提高了系統(tǒng)的成本。FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）有單片機(jī)和DSP無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部時(shí)延小；全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。因此，在本系統(tǒng)中我們用FPGA來(lái)控制A/D和USB芯片的運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

                    圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　圖中FPGA采用ALTERA公司生產(chǎn)的APEX  1k系列芯片，型號(hào)為EP1K30，通過(guò)在EPGA中編寫硬件邏輯控制A/D轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器和USB 控制芯片間數(shù)據(jù)傳輸的數(shù)據(jù)總線接口。除此之外，為了保證EPGA和USB控制芯片間數(shù)據(jù)交互過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，必須在FPGA中提供一個(gè)用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

2 A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)

　　在該系統(tǒng)中我們采用TI公司的ADS7800。它是12位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器^[2>，接口簡(jiǎn)單，很容易控制，最大采樣率可達(dá)333kHz，輸入的電壓范圍為－10V～＋10V或－5V～＋5V。ADS7800芯片的數(shù)字接口比較簡(jiǎn)單，可以很方便地與其它數(shù)字系統(tǒng)相連接。對(duì)此芯片地控制有完全控制模式（full  control mode ）和孤立控制磨蝕（stand-alone  control mode ）兩種控制方法。

　　在本系統(tǒng)中，對(duì)ADS7800芯片的控制是通過(guò)在FPGA芯片中編寫控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的。我們采用了孤立控制模式，在此控制模式下，輸出數(shù)字信號(hào)是12位并行的。

　　利用FPGA芯片的可編程性可以使用芯片中的12個(gè)IO腳作為數(shù)據(jù)總線，另使用一些IO腳作為ADS7800的控制信號(hào)輸入，控制模/數(shù)變換器以32kHz的速率對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣的數(shù)據(jù)存入FPGA的RAM中。本系統(tǒng)中所使用的FPGA芯片型號(hào)為EP1K30QC208-3，它具有著良好的特性，芯片內(nèi)部共有3萬(wàn)個(gè)邏輯門，容量相當(dāng)大；6個(gè)嵌入式陣列塊，可是現(xiàn)最大為3k字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器。

  3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

  3.1  USB接口芯片介紹

　　在設(shè)計(jì)中，我們選取Cyprees公司的EZ-USB系列芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)USB接口設(shè)備方的控制。它是一款帶有多個(gè)外設(shè)、高度集成的芯片，其功能框圖如圖2所示。一個(gè)集成的USB收發(fā)器（transceiver）連接USB總線的D＋和D－。串行接口引擎（SIE）對(duì)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行編/解碼、錯(cuò)誤檢測(cè)、位填充以及USB規(guī)范規(guī)定的其它信號(hào)級(jí)操作的實(shí)現(xiàn)，并且最終把數(shù)據(jù)收或發(fā)到USB接口部分。

            圖2  EZ-USB系統(tǒng)框圖

　　內(nèi)部的微處理器是8051單片機(jī)的增強(qiáng)型，提高了執(zhí)行速度并增加了一些新的特性。它使用內(nèi)部RAM作為程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；帶有16位地址線和8位數(shù)據(jù)線用來(lái)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，特有的快速傳輸模式可以在外部邏輯和內(nèi)部USB FIFO間快速地傳遞數(shù)據(jù)。

3.2  USB總線數(shù)據(jù)通信解決方案

　　在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信解決方案時(shí)，為完成數(shù)據(jù)流地正常傳輸，所建立的硬件平臺(tái)必須能夠提供兩個(gè)接口。首先必須要有一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線接口；除此之外，為了保證數(shù)據(jù)交互過(guò)程的正常實(shí)現(xiàn)，必須提供一個(gè)用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

　　AN2135SC芯片提供了EZ-USB系列芯片的所有接口和功能。在本系統(tǒng)中，我們將利用這款芯片和FPGA芯片配合工作，建立一個(gè)基于USB總線接口的數(shù)據(jù)通信解決方案，以實(shí)現(xiàn)將采樣信號(hào)輸出到上位機(jī)中的功能。

　　在此解決方案中，我們選擇AN2135SC芯片工作在快速數(shù)據(jù)傳輸模式下的8位并行數(shù)據(jù)總線D[7…0>作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€接口；選擇AN2135SC芯片中的通用 C總線主控制器接口作為數(shù)據(jù)通信過(guò)程中進(jìn)行控制和狀態(tài)信息傳輸?shù)腉PIO接口。這樣，芯片中的一般GPIO引腳就可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)其它功能，方便了系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)充。圖3所示為AN2135SC芯片與FPGA芯片的接口示意圖。

　　為了使AN2135SC芯片中快速數(shù)據(jù)傳輸模式下的數(shù)據(jù)總線D[7…0>和通用 主控制器分別完成流數(shù)據(jù)傳輸和控制狀態(tài)信息傳輸?shù)墓δ?，需要在芯片?051核中編寫程序，對(duì)AN2135SC芯片內(nèi)部相關(guān)的專用寄存器進(jìn)行配置^[3>。

                  圖3  AN2135SC與FPCA接口示意圖

3.3  FPGA的獨(dú)特配置方案

　　FPGA芯片是一種基于SRAM工藝制作的可編程器件，其編程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于器件的SRAM存儲(chǔ)器內(nèi)。這是一種易失性的存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)掉電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片中的邏輯將會(huì)丟失，芯片功能隨即消失，上電后需要重新對(duì)其進(jìn)行配置。利用此功能可以靈活地改變FPGA芯片中的邏輯結(jié)構(gòu)。這是一種動(dòng)態(tài)配置過(guò)程，這種方式稱為ICR方式（in circuit reconfigurable）。

　　本系統(tǒng)中對(duì)FPGA的配置采用PS（passive serial，即被動(dòng)串行）方式。通常采用的是以下兩種配置方法：配置數(shù)據(jù)來(lái)自于ALTERA公司生產(chǎn)的串行配制器件或系統(tǒng)控制器，如 等，系統(tǒng)上電時(shí)可對(duì)ACEX1K系列芯片進(jìn)行配置；配置邏輯也可以通過(guò)ALTERA公司生產(chǎn)的Master  Blaster、Byte Blaster  MV或Bitblaster下載電纜進(jìn)行手工下載。但是前者會(huì)增加系統(tǒng)的成本，而后者又很不方便。

　　上面的程序給出了這一次讀過(guò)程中讀地址指針的變化情況。隨著讀地址指針的變化，緩沖器中的數(shù)據(jù)順次輸出到數(shù)據(jù)總線D[7…0>上去。程序中 …0>為緩沖器的讀地址指針， …0>是緩沖器的輸出端口， … 是 芯片的數(shù)據(jù)總線 … 。

3.5  功能的實(shí)現(xiàn)

在 芯片與 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，雙方需要一些握手信號(hào)來(lái)協(xié)調(diào)傳輸過(guò)程。為此，我們選擇了 芯片中的 總線主控制器作為 端口，用來(lái)傳輸一些必要的控制和狀態(tài)信息。

為了與 芯片中的 總線主控制器配合工作，我們?cè)? 芯片中編寫了一個(gè) 總線從模塊，使得 總線上的數(shù)據(jù)傳輸能夠順利進(jìn)行。根據(jù) 總線傳輸規(guī)范，我們?cè)O(shè)定了一個(gè)狀態(tài)機(jī) ，它共有如下7個(gè)狀態(tài)： 。圖6給出了此狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)圖。

                         圖6 總線狀態(tài)機(jī)流程圖

　　由圖6可以看出，在開(kāi)始條件（ 產(chǎn)生后， 由空閑（ 狀態(tài)進(jìn)入地址狀態(tài)（ 。我們?cè)? 中指定了兩個(gè)寄存器用于存儲(chǔ)從 總線上發(fā)送來(lái)的控制信號(hào)和將要發(fā)送到 總線上的狀態(tài)信號(hào)，它們分別是控制寄存器 ‥0 和狀態(tài)寄存器 ‥0 ，這兩個(gè)寄存器地址的高4位均為“1110“。同樣，我們可以把1 芯片中所有由 總線尋址的寄存器的高4位地址都設(shè)定為“1110”。如圖6所示， 總線在地址期內(nèi)發(fā)送的高位地址只有為“1110”時(shí)，1 才會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)。這樣做的好處是便于擴(kuò)充其它 總線設(shè)備。

　　 總線在地址期內(nèi)發(fā)送的最低地址用于指定隨后的數(shù)據(jù)傳輸是主要設(shè)備讀還是主設(shè)備寫，高電平表示主設(shè)備讀，低電平表示主設(shè)備寫。讀寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6所示。因此，8位地址中可以用作尋址 端口的地址位為 ‥ 。

4  結(jié)束語(yǔ)

　　 本文介紹了數(shù)據(jù)通信解決方案中數(shù)據(jù)傳輸通道和 功能的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，兩個(gè)模塊配合工作即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常傳輸,從而順利地將 轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)經(jīng) 總線傳送到上位機(jī)去。這個(gè)解決方案基于 總線設(shè)計(jì)并且結(jié)合 來(lái)進(jìn)行控制，充分利用了 總線數(shù)據(jù)傳輸速率高、 設(shè)備可熱插撥等功能和 速度快、效率高、配置靈活的特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)踐證明，它是一個(gè)功能完備、高效穩(wěn)定的解決方案。