利用USB2.0技術(shù)的高速雙路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于USB2.0芯片CY7C68013和Maxim公司的高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX1195的高速雙路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用EZ-USB FX2 的特有的GPIF(General Programmable  Interface)傳輸方式，徹底打破了8051CPU對(duì)USB2.0傳輸速率的瓶頸，同時(shí)避免了使用其他微處理器或者CPLD、FPGA等的硬件開(kāi)支。本文詳細(xì)介紹了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)CY7C68013的固件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)主機(jī)用戶程序。通過(guò)與高精度激光縱模分析儀的連接調(diào)試，證明該系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了既定目標(biāo)。
　　1．引言

　　近年來(lái)，USB接口由于其傳輸速率高，真正的即插即用等優(yōu)點(diǎn)正在逐漸取代傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口如：RS232，EPP等。目前，許多的芯片生產(chǎn)商都推出了符合USB協(xié)議的芯片，如Philips公司的PDIUSBD12，NS公司的USBN9602等。在眾多的USB2.0芯片中，Cypress公司的EZ-USB FX2(CY7C68013)芯片是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。本文設(shè)計(jì)了一種基于EZ-USB FX2和MAX1195的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合USB2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)與高精度激光縱模分析儀連接進(jìn)行調(diào)試，證明該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定目的。

　　2. CY7C68013芯片和MAX1195芯片介紹

　　2.1 CY7C68013介紹：

　　CY7C68013在一塊芯片上同時(shí)集成了USB2.0收發(fā)器，串行接口引擎SIE，增強(qiáng)型的8051微控制器以及一個(gè)可編程外圍接口GPIF(General Programmable Interface)。CY7C68013的“量子FIFO”(FIFO，先進(jìn)先出存儲(chǔ)器)特性使得無(wú)需8051CPU的任何干預(yù)，數(shù)據(jù)即可從外設(shè)上傳到主機(jī)，這種數(shù)據(jù)傳輸模式徹底解決了USB2.0收發(fā)器與一般8051微控制器連接時(shí)由于8051的時(shí)鐘頻率低而導(dǎo)致的傳輸速率瓶頸問(wèn)題。CY7C68013芯片的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是其“‘軟’配置”，代碼和數(shù)據(jù)能夠直接通過(guò)USB接口下載到片內(nèi)的RAM上，這一功能通過(guò)Cypress公司獨(dú)創(chuàng)的“重枚舉”(ReNumerationTM)功能實(shí)現(xiàn)。CY7C68013芯片有四個(gè)可編程的批量、中斷、同步傳輸端點(diǎn)，可以分別設(shè)置為雙緩沖，三緩沖和四緩沖模式，8位或者16位的外部數(shù)據(jù)接口，該接口可以根據(jù)需要工作在 GPIF或者SLAVEFIFO模式。其中GPIF能夠和絕大部分并行接口如FIFO等實(shí)現(xiàn)“無(wú)膠”連接，即無(wú)需外加任何微控制器或CPLD、FPGA 等。本文的設(shè)計(jì)中采用了GPIF方式。

　　2.2 MAX1195介紹：

　　MAX1195是由MAXIM公司推出的一款低功耗、雙路、高速、八位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用流水線(Pipeline)結(jié)構(gòu)，最高采樣率40Mbps，內(nèi)部集成了兩個(gè) ADC，真正實(shí)現(xiàn)兩路同步采樣轉(zhuǎn)換。其工作電壓范圍是2.7V-3.6V，具有減小功耗的休眠模式和關(guān)斷(Shut-Down)模式，單端或者差分輸入方式，片上采樣保持(T/H)電路，內(nèi)部或者外部參考電壓，含有用戶可選擇的數(shù)據(jù)輸出格式：二的補(bǔ)碼格式或者補(bǔ)償二進(jìn)制碼格式，具有輸出使能控制，可以將輸出置為高阻態(tài)。此外MAXIM還提供了與MAX1195引腳、封裝完全兼容的10位、更高采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，如MAX1197、MAX1198等，因此系統(tǒng)升級(jí)非常方便。在本文的工作中，采用了內(nèi)部參考電壓、雙路單端模擬輸入、補(bǔ)償二進(jìn)制碼輸出格式。

　　3．系統(tǒng)整體構(gòu)成及其工作原理介紹：

　　3.1系統(tǒng)構(gòu)成：

　　系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要包括USB傳輸芯片CY7C68013,先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(FIFO)SN74V235和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX1195組成。反相器74LVC04主要起MAX1195和FIFO之間的邏輯控制作用。

　　圖1       系統(tǒng)整體框圖

　　3.2系統(tǒng)工作原理：

　　MAX1195的兩路輸入信號(hào)是同時(shí)被采樣的，十六位的數(shù)據(jù)輸出總線使兩路數(shù)據(jù)可以同時(shí)輸出，分別占八位，即：D0A~D7A和D0B~D7B；SN74V235輸入為18位，根據(jù)CMOS技術(shù)的要求，將未使用的D16和D17引腳接地。MAX1195采集到的數(shù)據(jù)首先送進(jìn)FIFO里， FIFO的寫(xiě)時(shí)鐘(WCLK)和AD的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘反相，這樣可以充分滿足MAX1195輸出數(shù)據(jù)的建立時(shí)間，避免發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)重復(fù)寫(xiě)入現(xiàn)象。 SN74V235的 (Programmable Almost Full)可編程幾乎滿信號(hào)經(jīng)74LVC04反相后接MAX1195的Sleep和 引腳，以免FIFO發(fā)生溢出而丟失數(shù)據(jù)。SN74V235的數(shù)據(jù)輸出引腳Q0~Q15與CY7C68013的GPIF模式下的數(shù)據(jù)線FD[15:0]即端口B和端口D組成的十六位數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)SN74V235到EZ-USB FX2的時(shí)序過(guò)程由CY7C68013的GPIF 控制。FX2采用了“量子FIFO”結(jié)構(gòu)，在FX2里面，數(shù)據(jù)可以分為兩個(gè)域：USB域和GPIF接口域。這兩個(gè)域是獨(dú)立的，允許分別使用不同的時(shí)鐘和邏輯控制數(shù)據(jù)的傳輸，USB域是由SIE控制的，SIE通過(guò)USB口接收或者發(fā)送端點(diǎn)FIFO的數(shù)據(jù)。FX2的“量子FIFO”能夠幾乎不花時(shí)間在這兩個(gè)數(shù)據(jù)域中的轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@兩個(gè)域用的FIFO在物理上是同一個(gè)。所以根據(jù)“量子FIFO”原理，實(shí)際上數(shù)據(jù)已經(jīng)存在于屬于USB域的端點(diǎn)FIFO里面了，采用USB的BULK傳輸方式，使該數(shù)據(jù)完全不經(jīng)過(guò)低頻CPU干預(yù)，而是采用FX2提供的AutoIn模式，即一旦FX2端點(diǎn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)達(dá)到指定字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)將自動(dòng)被打包從USB口上傳到主機(jī)。

　　3.3 GPIF波形及程序介紹：

　　GPIF是FX2的端點(diǎn)FIFO的片內(nèi)控制器，可以完全代替片外的控制器而實(shí)現(xiàn)FX2與外圍FIFO的“無(wú)膠”連接。GPIF的核心是一個(gè)可編程狀態(tài)機(jī)，可以產(chǎn)生六個(gè)“控制”(CTL)和九個(gè)“地址”(GPIFADR[8:0])信號(hào)，可以接收六個(gè)外部(RDY)“準(zhǔn)備好”輸入，八位或者十六位數(shù)據(jù)總線，時(shí)鐘可以用FX2的IFCLK，也可以由外圍提供。本文GPIF接口的詳細(xì)硬件連接如圖2所示。

　　圖2  GPIF與SN74V235詳細(xì)連接圖

　　GPIF狀態(tài)機(jī)可以定義四個(gè)波形描述符，一般情況下是：FIFO讀，F(xiàn)IFO寫(xiě)，單字/字節(jié)讀，單字/字節(jié)寫(xiě)。Cypress提供了圖形化的波形描述工具GPIF Designer，用戶只需要給出GPIF波形，GPIF Designer會(huì)自動(dòng)生成C語(yǔ)言的波形代碼Gpif.c，可以直接鏈接到用戶的固件程序中。本文中用到了FIFORd描述符，波形如圖3所示。

　　圖3      GPIF Designer設(shè)計(jì)的 FIFORd波形

　　4.系統(tǒng)軟件編寫(xiě)

　　系統(tǒng)軟件主要包括三個(gè)部分：下位機(jī)CY7C68013的固件，USB驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)主機(jī)應(yīng)用程序。

　　4.1 固件程序編寫(xiě)

　　對(duì)于下位機(jī)CY7C68013的固件編寫(xiě)，Cypress公司給出了在Keil C51下的固件程序框架，固件框架完成EZ-USB FX2的初始化、USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求處理、USB掛起模式下的電源管理服務(wù)和USB中斷處理。Cypress還提供了函數(shù)鉤子來(lái)加速用戶代碼的添加。用戶只需要簡(jiǎn)單地提供一個(gè)USB描述符表和執(zhí)行外圍功能的代碼即可。

　　4.2 驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)

　　Windows系統(tǒng)下的USB驅(qū)動(dòng)包括三層，從高到低依次是：USB客戶端設(shè)備驅(qū)動(dòng)(USB Client Device Driver)、USB總線驅(qū)動(dòng)(USB Hub(Bus) Driver)、主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(Host Controller Driver)。后兩者由Windows系統(tǒng)提供，用戶只需要開(kāi)發(fā)USB客戶端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，Cypress公司提供了一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序 (General Purpose Driver)，即ezusb.sys，一般情況下，該驅(qū)動(dòng)程序可以滿足FX2開(kāi)發(fā)者的需要。本文使用了Cypress公司的通用驅(qū)動(dòng) ezusb.sys。為了使用ezusb.sys，用戶必須編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的inf文件，inf文件將特定的USB設(shè)備綁定給相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，該inf文件參照 ezusbw2k.inf編寫(xiě)。

　　4.3 主機(jī)應(yīng)用程序編寫(xiě)

　　通用驅(qū)動(dòng)程序GPD即ezusb.sys提供了基本USB設(shè)備請(qǐng)求和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩裟Ｊ浇涌?，用戶模式?yīng)用程序通過(guò)Win32函數(shù) DeviceIoControl()給設(shè)備驅(qū)動(dòng)器發(fā)送請(qǐng)求。Ezusb.sys提供了基本設(shè)備請(qǐng)求、批量讀寫(xiě)、同步讀寫(xiě)等一系列IOCTL函數(shù)。這里以 IOCTL_EZUSB_BULK_READ（EZUSB批量傳輸）為例加以介紹。

　　批量傳輸模式下讀FX2的端點(diǎn)FIFO的關(guān)鍵代碼如下：

　　DWORD  ioctl_val=IOCTL_EZUSB_BULK_READ;  //設(shè)置從設(shè)備中讀數(shù)據(jù)

　　Bresult=DeviceIoControl ( hDevice , ioctl_val ,  //從設(shè)備讀數(shù)據(jù)

　　&bulkControl ,      //端點(diǎn)號(hào)

　　sizeof ( BULK_TRANSFER_CONTROL),  //傳入?yún)?shù)的大小

　　buffer ,  //讀數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)

　　length ,  //讀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度

　　(unsigned long *)&nBytes , //驅(qū)動(dòng)返回的數(shù)據(jù)的實(shí)際長(zhǎng)度

　　NULL);

　　限于篇幅，其他程序代碼從略。

　　6．結(jié)束語(yǔ)

　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)是充分發(fā)揮了CY7C68013的優(yōu)勢(shì)，利用FX2的內(nèi)部可編程狀態(tài)機(jī)GPIF實(shí)現(xiàn)了與外圍FIFO“無(wú)膠”連接，避免了使用外圍ASIC或者CPLD、FPGA等的麻煩，系統(tǒng)升級(jí)方便。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)緊湊，占用面積小，便于攜帶。

　　本文采用Cypress公司的USB2.0芯片CY7C68013設(shè)計(jì)了一種通用的高速雙路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)將其與高精度激光縱模分析儀連接進(jìn)行試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)傳輸，達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)的目標(biāo)。隨著USB口的進(jìn)一步普及和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，本文設(shè)計(jì)的這種USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必將得到更加廣泛的應(yīng)用。