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

1．引言

　　近年來，USB接口由于其傳輸速率高，真正的即插即用等優(yōu)點正在逐漸取代傳統(tǒng)的計算機(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)芯片是一個不錯的選擇。本文設(shè)計了一種基于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微控制器以及一個可編程外圍接口GPIF(General Programmable Interface)。CY7C68013的“量子FIFO”(FIFO，先進(jìn)先出存儲器)特性使得無需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微控制器連接時由于8051的時鐘頻率低而導(dǎo)致的傳輸速率瓶頸問題。CY7C68013芯片的另一個突出優(yōu)點是其“‘軟’配置”，代碼和數(shù)據(jù)能夠直接通過USB接口下載到片內(nèi)的RAM上，這一功能通過Cypress公司獨創(chuàng)的“重枚舉”(ReNumerationTM)功能實現(xiàn)。CY7C68013芯片有四個可編程的批量、中斷、同步傳輸端點，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等實現(xiàn)“無膠”連接，即無需外加任何微控制器或CPLD、FPGA 等。本文的設(shè)計中采用了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 ADC，真正實現(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：二的補碼格式或者補償二進(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。整個系統(tǒng)主要包括USB傳輸芯片CY7C68013,先進(jìn)先出存儲器(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的兩路輸入信號是同時被采樣的，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的寫時鐘(WCLK)和AD的轉(zhuǎn)換時鐘反相，這樣可以充分滿足MAX1195輸出數(shù)據(jù)的建立時間，避免發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)重復(fù)寫入現(xiàn)象。 SN74V235的 (Programmable Almost Full)可編程幾乎滿信號經(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的時序過程由CY7C68013的GPIF 控制。FX2采用了“量子FIFO”結(jié)構(gòu)，在FX2里面，數(shù)據(jù)可以分為兩個域：USB域和GPIF接口域。這兩個域是獨立的，允許分別使用不同的時鐘和邏輯控制數(shù)據(jù)的傳輸，USB域是由SIE控制的，SIE通過USB口接收或者發(fā)送端點FIFO的數(shù)據(jù)。FX2的“量子FIFO”能夠幾乎不花時間在這兩個數(shù)據(jù)域中的轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，因為這兩個域用的FIFO在物理上是同一個。所以根據(jù)“量子FIFO”原理，實際上數(shù)據(jù)已經(jīng)存在于屬于USB域的端點FIFO里面了，采用USB的BULK傳輸方式，使該數(shù)據(jù)完全不經(jīng)過低頻CPU干預(yù)，而是采用FX2提供的AutoIn模式，即一旦FX2端點緩沖區(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FIFO的片內(nèi)控制器，可以完全代替片外的控制器而實現(xiàn)FX2與外圍FIFO的“無膠”連接。GPIF的核心是一個可編程狀態(tài)機(jī)，可以產(chǎn)生六個“控制”(CTL)和九個“地址”(GPIFADR[8:0])信號，可以接收六個外部(RDY)“準(zhǔn)備好”輸入，八位或者十六位數(shù)據(jù)總線，時鐘可以用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)可以定義四個波形描述符，一般情況下是：FIFO讀，F(xiàn)IFO寫，單字/字節(jié)讀，單字/字節(jié)寫。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會自動生成C語言的波形代碼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)計的 FIFORd波形

　　4.系統(tǒng)軟件編寫

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

　　4.1 固件程序編寫

　　對于下位機(jī)CY7C68013的固件編寫，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)鉤子來加速用戶代碼的添加。用戶只需要簡單地提供一個USB描述符表和執(zhí)行外圍功能的代碼即可。

　　4.2 驅(qū)動程序編寫

　　Windows系統(tǒng)下的USB驅(qū)動包括三層，從高到低依次是：USB客戶端設(shè)備驅(qū)動(USB Client Device Driver)、USB總線驅(qū)動(USB Hub(Bus) Driver)、主機(jī)控制器驅(qū)動(Host Controller Driver)。后兩者由Windows系統(tǒng)提供，用戶只需要開發(fā)USB客戶端設(shè)備驅(qū)動程序，Cypress公司提供了一個通用的驅(qū)動程序 (General Purpose Driver)，即ezusb.sys，一般情況下，該驅(qū)動程序可以滿足FX2開發(fā)者的需要。本文使用了Cypress公司的通用驅(qū)動 ezusb.sys。為了使用ezusb.sys，用戶必須編寫對應(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)動程序，該inf文件參照 ezusbw2k.inf編寫。

　　4.3 主機(jī)應(yīng)用程序編寫

　　通用驅(qū)動程序GPD即ezusb.sys提供了基本USB設(shè)備請求和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩裟Ｊ浇涌?，用戶模式?yīng)用程序通過Win32函數(shù) DeviceIoControl()給設(shè)備驅(qū)動器發(fā)送請求。Ezusb.sys提供了基本設(shè)備請求、批量讀寫、同步讀寫等一系列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 ,      //端點號

　　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)的長度

　　(unsigned long *)&nBytes , //驅(qū)動返回的數(shù)據(jù)的實際長度

　　NULL);

　　限于篇幅，其他程序代碼從略。

　　6．結(jié)束語

　　本文的創(chuàng)新點是充分發(fā)揮了CY7C68013的優(yōu)勢，利用FX2的內(nèi)部可編程狀態(tài)機(jī)GPIF實現(xiàn)了與外圍FIFO“無膠”連接，避免了使用外圍ASIC或者CPLD、FPGA等的麻煩，系統(tǒng)升級方便。整個電路結(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)計了一種通用的高速雙路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過將其與高精度激光縱模分析儀連接進(jìn)行試驗，證明該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速實時傳輸，達(dá)到了預(yù)先設(shè)計的目標(biāo)。隨著USB口的進(jìn)一步普及和計算機(jī)的發(fā)展，本文設(shè)計的這種USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必將得到更加廣泛的應(yīng)用。