基于Spartan-6的高速數(shù)據(jù)采集、處理和實(shí)時(shí)傳輸研究

　　1.前言

　　隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理在現(xiàn)代工業(yè)控制和科學(xué)研究中已成為必不可少的部分，尤其在信號(hào)測(cè)量、圖像處理、音頻信號(hào)處理等一些高速、高精度的測(cè)量中需要對(duì)高性能的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。這就為數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了兩個(gè)的要求:1)要求接口簡(jiǎn)單靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸率; 2)由于數(shù)據(jù)量通常都較大，要求主機(jī)能夠?qū)?shù)據(jù)做出快速響應(yīng)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理。

　　在基于軟件無線電的接收機(jī)架構(gòu)中，數(shù)字下變頻(DDC)技術(shù)起著非常重要的作用，也是軟件無線電的核心技術(shù)之一。數(shù)字下變頻位于模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)之后，需要處理高速高容量的數(shù)據(jù)，因此難度較大，不容易實(shí)現(xiàn)。針對(duì)數(shù)字下變頻中的這一實(shí)際問題以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備的兩個(gè)要求，本報(bào)告采用了一種基于FPGA與USB 2.0的數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)傳輸方案。

　　本文所研究的基于Spartan-6的高速數(shù)據(jù)采集、處理和實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，就是實(shí)現(xiàn)將寬帶中頻數(shù)字接收機(jī)輸出的高速正交IQ數(shù)據(jù)傳輸給FPGA去實(shí)現(xiàn)軟件無線電的后續(xù)信號(hào)處理算法。利用Cypress的EZ-USB FX2高速數(shù)據(jù)傳輸方案實(shí)現(xiàn)將基帶數(shù)據(jù)或者經(jīng)FPGA處理后輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并利用上位機(jī)軟件進(jìn)行上位機(jī)存儲(chǔ)和顯示。本文主要從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面分別對(duì)高速數(shù)據(jù)采集模塊(寬帶中頻數(shù)字下變頻模塊)、高速數(shù)據(jù)傳輸模塊以及上位機(jī)軟件三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)分成3個(gè)子模塊，分別是：(1)高速數(shù)據(jù)采集模塊(寬帶中頻數(shù)字下變頻模塊);(2)高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和傳輸模塊;(3)上位機(jī)軟件模塊。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示：

　　其中高速數(shù)據(jù)采集模塊與EZ-USB高速數(shù)據(jù)處理和傳輸模塊分別由對(duì)應(yīng)的硬件電路和軟件組成。上位機(jī)軟件模塊主要是利用Microsoft Visual2008軟件利用MFC進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)整體硬件框圖如圖2所示：

　　系統(tǒng)整體工作原理：首先高速數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)70MHz中頻模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣速率為60MHz(基于帶通采樣定理)，然后利用Atmel公司的高性能微控制器Atmega16A作為控制單元以異步控制方式對(duì)專用數(shù)字下變頻進(jìn)行設(shè)置和編程，實(shí)現(xiàn)將中心為70MHz的數(shù)字中頻信號(hào)搬移到數(shù)字基帶，基帶數(shù)據(jù)速率仍然為60MHz，因此需要對(duì)高速的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行抽取和濾波得到低速的數(shù)字基帶信號(hào)，抽取倍數(shù)可通過編程設(shè)置，抽取倍數(shù)越大得到的數(shù)字基帶信號(hào)速率就越小，低速的數(shù)據(jù)基帶信號(hào)再傳輸給FPGA實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)的碼元恢復(fù)，得到原始信息。EZ-USB既可以對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸也可以對(duì)FPGA輸出的原始碼元信息進(jìn)行傳輸，最后通過USB2.0接口將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和顯示。

　　3.高速數(shù)據(jù)采集模塊(寬帶中頻數(shù)字下變頻模塊)

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往采用單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為控制器,控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、存儲(chǔ)器和其他外圍電路的工作。但由于單片機(jī)本身的指令周期以及處理速度的影響,其時(shí)鐘頻率較低,各種功能都要靠軟件的運(yùn)行來實(shí)現(xiàn),軟件運(yùn)行時(shí)間在整個(gè)采樣時(shí)間中占有很大的比例,效率較低,很難滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和同步性的要求?；贒SP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),雖然處理速度快,但成本較高,過于頻繁的中斷會(huì)使CPU的效率降低,響應(yīng)速度變差。近年來，基于FPGA的數(shù)據(jù)采集方案逐漸成為一種具有特殊優(yōu)勢(shì)的一種方案，其中最主要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的并行處理。另外還具有開發(fā)周期短,集成度高,功耗低,工作頻率高,設(shè)計(jì)費(fèi)用低,編程配置靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)。

　　本報(bào)告中采用的高速數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)傳輸方案，主要包括以下幾個(gè)部分：1)高速數(shù)據(jù)采集以及數(shù)字下變頻處理部分;(2).高速數(shù)據(jù)傳輸部分;(3).上位機(jī)數(shù)據(jù)采集控制部分。系統(tǒng)首先將外部真實(shí)世界的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，然后將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高速數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，然后將緩沖數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字下變頻處理后傳輸給FPGA，采用FPGA控制CY7C68013A實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與存儲(chǔ)，并進(jìn)行顯示。

　　3.1 高速數(shù)據(jù)采集及數(shù)字下變頻處理部分硬件設(shè)計(jì)

　　高速數(shù)據(jù)采集及數(shù)字下變頻模塊是利用ADI的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6640按照奈奎斯特帶通采用定理進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(本報(bào)告中選擇的采樣速率為60MHz)，然后將60MHz的數(shù)字中頻信號(hào)傳輸給專用數(shù)字下變頻器件AD6620(也可以利用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻以及信號(hào)抽取濾波等)進(jìn)行數(shù)字下變頻和抽取濾波等處理。

　　高速數(shù)據(jù)采集(主要是采集70MHz的中頻模擬信號(hào))及數(shù)字下變頻(將70MHz中頻搬移到數(shù)字基帶)處理部分的硬件設(shè)計(jì)方案如下圖1所示：

　　在該部分的硬件設(shè)計(jì)中：1)ADC采用的是ADI公司的高性能AD6640來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高速采集。AD6640具有如下優(yōu)點(diǎn)：12位的采樣精度，具有65MSPS最小采樣率，在25MHz帶寬上具有高達(dá)80

的無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)，中頻采樣率可達(dá)70MSPS, 功率消耗大約710mW，采用采用5V單電源供電，片上自帶T/R和參考電壓，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式輸出，CMOS輸出電平兼容3.3V和5V。2)下變頻部分，采用的是美國(guó)ADI公司的中頻數(shù)字接收機(jī)專用數(shù)字信號(hào)處理器AD6620。它的內(nèi)部集成了NCO(數(shù)控晶體振蕩器)、數(shù)字混頻器、二階級(jí)聯(lián)積分梳妝濾波器(CIC2)、五階級(jí)聯(lián)積分梳妝濾波器(CIC5)、系數(shù)可編程的抽取濾波器(RCF)等。3)控制部分，選用了Xilinx公司的Spartan 6芯片來進(jìn)行采集控制、數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸控制及通信等。

 

　　3.2 高速數(shù)據(jù)采集及下變頻處理部分軟件設(shè)計(jì)

　　寬帶中頻數(shù)字下變頻器件AD6620內(nèi)部主要由以下單元組成：頻率變換單元、二階固定系數(shù)級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(CIC2)單元、五階固定系數(shù)級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(CIC5)單元以及一個(gè)可變系數(shù)的RAM系數(shù)抽取濾波器(RCF)單元。其中頻率變換模塊實(shí)現(xiàn)中頻到數(shù)字基帶的下變頻，CIC2單元和CIC5單元是完成采樣速率的抽取功能，通過設(shè)置不同的抽取倍數(shù)可得到不同速率的基帶信號(hào)，而可變系數(shù)的 RCF單元?jiǎng)t是將抽取后的信號(hào)進(jìn)行整形濾波處理，使得濾波器的通帶紋波、過渡帶帶寬以及阻帶衰減等設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)的更優(yōu)化。

　　下面分別對(duì)頻率轉(zhuǎn)換單元、CIC2和CIC5濾波器單元以及可變系數(shù)RCF濾波器單元分別進(jìn)行編程介紹。

　　3.2.1頻率變換單元編程設(shè)置

　　頻率變換單元主要是利用片內(nèi)集成的數(shù)控晶體振蕩器(NCO)來產(chǎn)生一組正交的數(shù)字本振信號(hào)。NCO模塊的目標(biāo)就是產(chǎn)生理想的正弦波和余弦波，以便與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器件AD6640傳輸?shù)闹蓄l實(shí)信號(hào)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，把中頻信號(hào)的頻譜搬移到數(shù)字基帶。NCO模塊產(chǎn)生的正交數(shù)字本振信號(hào)頻率是通過式來計(jì)算：

　　 (式 1)

 

　　其中， 為NCO模塊的本振頻率， 為相應(yīng)通道IF信號(hào)輸入的頻率，在本文中為70Mhz， 為采樣頻率，本文中應(yīng)為56MHz，實(shí)際為60MHz，

根據(jù)式可計(jì)算得到 的值為：0010 1010 1010 1010 1010 1010 1010 1010共32位二進(jìn)制數(shù)，那么通過FPGA向地址為0x303的地址寫入上述32bit的二進(jìn)制數(shù)。

 

　　3.2.2 固定系數(shù)CIC濾波器設(shè)計(jì)及其編程

　　二階和五階級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器都是固定系數(shù)的抽取濾波器。CIC2處理的信號(hào)時(shí)頻率變換后輸出的I、Q兩路數(shù)字基帶信號(hào)，

均為60MHz，為了減輕后續(xù)處理器的處理難度，需要利用CIC2和CIC5抽取濾波器進(jìn)行合理抽取濾波，經(jīng)CIC2抽取濾波后的信號(hào)頻率為式所示：

 

　　

(式 1)

 

　　其中， 為經(jīng)過抽取系數(shù) 抽取濾波降速后的信號(hào)頻率。可通過微控制器對(duì)CIC2濾波器抽取系數(shù) 進(jìn)行編程，取值范圍為2~6中得某一個(gè)整數(shù)值。第一級(jí)的抽取系數(shù)取值越大相應(yīng)的整個(gè)芯片功耗就越低。CIC2濾波器的增益和通帶衰減計(jì)算公式如式2和式3所示：

 

　　

(式 2)

 

　　

(式 3)

 

　　其中， 為CIC2濾波器增益衰減因子，取值范圍為0~6之間的整數(shù)值。為了獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)范圍需要將 設(shè)置為最小值，但是要注意防止出現(xiàn)溢出。

為輸入信號(hào)的電平。

 

　　CIC2濾波器的離散和連續(xù)頻率響應(yīng)公式分別如式4和5所示：

　　

(式 4) (式 5)

 

　　相應(yīng)的CIC5濾波器和CIC2濾波器的功能是一致的，也是實(shí)現(xiàn)抽取和濾波，CIC5濾波器是對(duì)CIC2這一級(jí)處理后的信號(hào)再一次抽取。下面利用ADI公司的SoftCell濾波器設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)CIC2、CIC5、RCF濾波器，以便獲得相應(yīng)濾波器參數(shù)，進(jìn)行因?yàn)閷?duì)于70MHz中頻信號(hào)而言，依據(jù)射頻帶通采樣定理，可以確定帶通采樣率為56MSPS就可以滿足要求，但是為了增大信噪比的性能可將降采樣率設(shè)成60MHz，輸出頻率為0.4MSPS，那么抽取倍數(shù)為140。打開濾波器設(shè)計(jì)軟件后的界面如圖3所示：

　　在軟件的PortSelect菜單中選擇AD6620作為設(shè)計(jì)的對(duì)象，然后在面板的左中間位置輸入信號(hào)頻率60MHz，以及抽取濾波后的輸出頻率0.4MHz，在Passband這個(gè)地方輸入通帶帶寬4MHz，通帶紋波設(shè)置為0.18，另外在Stopband這個(gè)地方設(shè)置阻帶頻率為4.5MHz，衰減為60dB，在5MHz這個(gè)頻率點(diǎn)，設(shè)置衰減為80dB。然后點(diǎn)擊compute按鈕后就可以計(jì)算得到設(shè)計(jì)好的濾波器頻率相應(yīng)以及相應(yīng)的各級(jí)濾波器系數(shù)和RCF濾波器的抽頭數(shù)。設(shè)計(jì)完成后CIC2以及CIC5以及RCF濾波器系數(shù)可能有多種組合，這種情況下可以對(duì)比分析濾波器的響應(yīng)，選擇一種最佳的設(shè)計(jì)方案。表 1為不同抽取倍數(shù)下的帶寬和混疊衰減規(guī)格： 

　　最后確定選擇CIC2濾波器抽取倍數(shù)為15，CIC5抽取倍數(shù)為2，RCF抽取倍數(shù)為2就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

　　3.2.3 可變系數(shù)RCF濾波器參數(shù)設(shè)置

　　根據(jù)2.2.1節(jié)設(shè)計(jì)得到的RCF抽取倍數(shù)為30，可以根據(jù)式來計(jì)算得到抽取濾波器的抽頭數(shù)為150。

　　

 

　　其中， 為60MHz， 為15， 為CIC5濾波器抽取降速后的頻率也即2MHz，當(dāng)輸入通道模式時(shí)單通道實(shí)模式時(shí)為1。對(duì)可變系數(shù)的RCF濾波器進(jìn)行編程設(shè)置時(shí)需要先向地址0x30C寫入整數(shù) 149( =59)。然后濾波器的響應(yīng) 逐一寫入到地址0x000~0xFF中。這樣就完成了RCF寄存器的編程設(shè)置。

 

　　3.2.4 AD6620工作模式寄存器編程

　　對(duì)頻率變換單元、固定系數(shù)的CIC2和CIC5以及RCF濾波器變化進(jìn)行編程設(shè)置后，要使AD6620正常工作還需要對(duì)其工作方式和相關(guān)寄存器進(jìn)行配置。AD6620的工作方式主要由地址0x300H的寄存器中低四位決定，其中，bit0=1時(shí)系統(tǒng)處于軟復(fù)位狀態(tài)，bit0=0則處于正常狀態(tài);bit1=1時(shí)系統(tǒng)處于雙通道實(shí)數(shù)輸入模式;bit2=1時(shí)系統(tǒng)處于單通道復(fù)數(shù)輸入模式;如果bit0~bit2都是0，那么系統(tǒng)處于單通道實(shí)數(shù)輸入模式;bit3=1/0為時(shí)鐘主從工作模式。因此，當(dāng)各寄存器配置完成后需要將寄存器bit0拉低，也即置為0狀態(tài)使其脫離軟復(fù)位狀態(tài)，進(jìn)入正常工作模式。另外，在本文中AD6620讀寫內(nèi)部寄存器是采用的異步讀寫時(shí)序，數(shù)據(jù)輸出是并行16位輸出模式。[!--empirenews.page--]

　　總的來說，采用FPGA實(shí)現(xiàn)AD6620初始化的過程如下：

　　1)首先判斷AD6620有沒有經(jīng)過硬件復(fù)位，如果沒有經(jīng)過硬件復(fù)位而又要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，那么可以通過程序去編程地址0x300H的寄存器的bit0位置為1，使得AD6620處于軟件復(fù)位狀態(tài)，這樣就可以對(duì)非動(dòng)態(tài)的寄存器進(jìn)行相關(guān)編程;

　　2)對(duì)NCO單元、CIC2、CIC5濾波器的抽取倍數(shù)和系數(shù)進(jìn)行編程，將相應(yīng)的控制系數(shù)寫入相對(duì)應(yīng)的地址寄存器中;

　　3)對(duì)RCF濾波器系數(shù)進(jìn)行編程，分別向地址0x000H~0xFF中寫入 這150個(gè)抽頭系數(shù)，剩下的寫入0。

 

　　4)對(duì)AD6620所有配置工作完成后，必須向地址0x300H的bit0寫入0，使其脫離軟復(fù)位狀態(tài)，這樣AD6620才可以在所配置工作方式下對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?！　?/p>

　　4.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模塊

　　基于USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：(1)基于EZ-USB FX2的硬件電路設(shè)計(jì)(2)EZ-USB FX2系列器件CY7C68013A的固件程序(設(shè)置CY7C68013A工作模式、傳輸方式等，需要對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行相關(guān)配置)，主要通過Keil C51軟件進(jìn)行開發(fā)。

　　4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸部分的硬件設(shè)計(jì)

　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸部分(USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸)的硬件設(shè)計(jì)方案如圖10所示，USB模塊與FPGA間的連線如圖11所示。

　　在高速數(shù)據(jù)傳輸部分采用了Cypress公司的EZ-USB FX2 CY7C68013A芯片，采用單片USB 2.0外設(shè)可以避免用FPGA直接實(shí)現(xiàn)USB通信協(xié)議時(shí)可靠性低的問題。在數(shù)據(jù)采集、傳輸以及測(cè)試過程中，CY7C68013A作為從機(jī)，負(fù)責(zé)將FPGA發(fā)送給它的基帶數(shù)據(jù)，利用其16位SLAVE FIFO(關(guān)于SLAVE FIFO的傳輸示意圖如圖所示)將數(shù)據(jù)緩沖發(fā)送給上位機(jī)。在SLAVE FIFO數(shù)據(jù)傳輸中，上位機(jī)應(yīng)用程序、固件程序和FPGA程序都非常關(guān)鍵，要配合好才能完成數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)傳輸。在這個(gè)系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA起著主控制器作用，CY7C68013A則相當(dāng)于一個(gè)從設(shè)備。具體的工作流程是：FPGA把接收過來的16位數(shù)字基帶信號(hào)發(fā)送給CY7C68013A，CY7C68013A以SLAVE FIFO的方式將這些數(shù)據(jù)緩沖，并以批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接收到這些數(shù)據(jù)后加以存儲(chǔ)和顯示。

　　4.2 CY7C68013A的固件程序設(shè)計(jì)

　　固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備CPU中的程序，只有在該程序運(yùn)行時(shí)，外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備。固件程序負(fù)責(zé)初始化單元，重新設(shè)置設(shè)備。主要包括設(shè)備描述符信息、設(shè)備功能代碼。設(shè)備描述信息描述USB設(shè)備的一半特性和配置，如設(shè)備類別、接口配置、VID和PID等。主機(jī)在設(shè)備列舉時(shí)要獲取USB設(shè)備的描述符，從而獲得設(shè)備的配置信息和相關(guān)驅(qū)動(dòng)信息。用戶可以通過修改固件中的描述符來改變?cè)O(shè)備的特性。設(shè)備功能代碼有設(shè)備的功能需求決定。通信控制功能代碼執(zhí)行主機(jī)請(qǐng)求分析處理和數(shù)據(jù)交換處理功能。

　　采用ARM公司的Keil C51 uVision4.02開發(fā)CY7C68013A的固件程序。為了簡(jiǎn)化固件編程，CYPRESS提供了固件編程框架，在此基礎(chǔ)上添加我們所需要的配置代碼即可完成軟件編程。　　

　　復(fù)位上電時(shí)，固件先初始化一些全局變量，然后調(diào)用初始化函數(shù)ID_Init(),初始化設(shè)備一直到?jīng)]有配置的狀態(tài)和打開中斷，循環(huán)1s后枚舉，直到端點(diǎn)0接收到SETUP包退出循環(huán)，進(jìn)入循環(huán)語句while，執(zhí)行任務(wù)函數(shù)，函數(shù)包括：

　　(a)TD_POLL()用戶任務(wù)調(diào)度函數(shù);

　　(b)如果發(fā)現(xiàn)USB設(shè)備請(qǐng)求，則執(zhí)行對(duì)應(yīng)的USB請(qǐng)求;

　　(c)如果發(fā)現(xiàn)USB空閑置位，則調(diào)用TD_Suspend()這個(gè)掛起函數(shù)，調(diào)用成功后則內(nèi)核掛起，直到出現(xiàn)USB遠(yuǎn)程喚醒信號(hào)，調(diào)用TD_Resume()，內(nèi)核喚醒后重新進(jìn)入while循環(huán)。

　　固件框架程序需要以下幾個(gè)文件：

　　(1)FX2.h：庫函數(shù)申明，以及變量、宏定義、數(shù)據(jù)類型定義;

　　(2)Fxregs.h：FX2LP寄存器頭文件;

　　(3)Fw.c：固件框架源文件;

　　(4)Periph.c：用戶調(diào)度函數(shù)、用戶可以修改，在不同的應(yīng)用中文件名不一樣;

　　(5)Dscr.a51：USB描述符列表，用戶可以修改;

　　(6)Ezusb.lib：EZUSB庫文件;

　　(7)USBJmpTb.OBJ：中斷跳轉(zhuǎn)函數(shù)目標(biāo)文件

　　這種情況下，需要在固件程序中，進(jìn)行相應(yīng)的修改。在SLAVE FIFO中，特別是自動(dòng)傳輸(CY7C68013A單片機(jī)不干預(yù)數(shù)據(jù)傳輸)，固件程序主要完成各個(gè)端口的初始化。因此我們要修改兩個(gè)地方：(1)USB設(shè)備描述符列表Dscr.a51，根據(jù)實(shí)際情況修改里面的端口數(shù)和傳輸方式等;(2)初始化函數(shù)void TD_Init(void)。在SLAVE FIFO這種方式下，設(shè)置EP2為4緩沖的輸出端口，EP6為4緩沖的輸入端口。

　　5. 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)應(yīng)用程序是系統(tǒng)與用戶之間交流的接口，它通過通用驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)外設(shè)的控制和通信。主機(jī)端應(yīng)用程序負(fù)責(zé)向FX2的FIFO發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。本報(bào)告中采用的固件架構(gòu)是EZ-USB FX2/FX2LP(CY7C68013, 驅(qū)動(dòng)程序是Cyusb.sys。用Visual Studio2008軟件進(jìn)行上位機(jī)開發(fā)，利用C++/MFC來開發(fā)基于對(duì)話框的應(yīng)用程序，系統(tǒng)的主要功能模塊有：打開USB設(shè)備、復(fù)位USB設(shè)備、系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試與顯示等。

　　在VS2008中建立一個(gè)MFC 單文檔/對(duì)話框應(yīng)用程序后，在路徑項(xiàng)目中包含頭文件cyapi.h和cyapi.lib所在的路徑。然后手動(dòng)導(dǎo)入cyapi.lib，注意是CV6_7的lib，不要導(dǎo)入BCB的。

　　開發(fā)USB應(yīng)用程序的一般工作流程如下。

　　1)首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)USB設(shè)備對(duì)象

　　CCyUSBDevice *USBDevice = new CCyUSBDev(Handle);括號(hào)中的Handle是USB所關(guān)聯(lián)對(duì)象的句柄，一般在MFC中直接就是m_hwnd。

　　2)打開USB設(shè)備。

　　可以用到兩個(gè)函數(shù)open();isopen()這兩個(gè)都可以用來打開USB設(shè)備，isopen()還可以判斷能否獲得USB設(shè)備句柄，一般來說，如果只有一個(gè)USB設(shè)備連接，可以這樣打開：

　　USBDevice->open(0)//打開0號(hào)USB設(shè)備;如果要判斷，可以：

　　if(!USBDevice->open(0)) //打開失敗

　　{messagebox("USB未連接");}

　　或者if(!USBDevice->Isopen())

　　如果連接有多個(gè)USB設(shè)備，那么可以枚舉所有的USB，用到DeviceCount()函數(shù);具體的可以參考cybulk的例子。執(zhí)行USBDevice->DeviceCount()后，返回所連接的USB設(shè)備個(gè)數(shù)：

　　if (USBDevice->DeviceCount()) //保證至少有一個(gè)USB設(shè)備連接

　　{

　　for (i = 0; i DeviceCount(); i++) //枚舉所有USB設(shè)備

　　{

　　USBDevice->Open(i);//打開第i號(hào)USB設(shè)備

　　m_DeviceListComBox.AddString(USBDevice->DeviceName);//所選擇的當(dāng)前設(shè)備名}

　　}

　　3)端點(diǎn)枚舉

　　在cybulk的例子中介紹了如何枚舉固件中使用的所有端點(diǎn)，也就是使用多個(gè)端點(diǎn)的情況，其枚舉步驟主要包括一下幾個(gè)端點(diǎn)：

　　(1)創(chuàng)建USB設(shè)備并打開該設(shè)備

　　CCyUSBDevice *USBDevice=new CCyUSBDevice(m_hWnd);//USB設(shè)備USBDevice->Open(0);//打開0號(hào)USB設(shè)備。

　　(2)獲取所用的端點(diǎn)數(shù)目

　　intepts = USBDevice->EndPointCount();

　　EndPointCount();函數(shù)返回當(dāng)前所用的端點(diǎn)數(shù)+1，也就是包含了控制端點(diǎn)。例如在固件接口描述符Interface Descriptor中設(shè)置Number of end points項(xiàng)(第5項(xiàng))的值為4，則epts的值為4+1=5。

　　(3)定義端點(diǎn)指針

　　CCyUSBEndPoint *endpt;CCyUSBEndPoint建立一個(gè)端點(diǎn)對(duì)象，可建立所有的端點(diǎn)類型，控制端點(diǎn)，bulk端點(diǎn)，ISO端點(diǎn)等;

　　(4)枚舉端點(diǎn)，并獲得其屬性：端點(diǎn)號(hào)，傳輸方向

　　for (i=1; i

　　{

　　endpt = USBDevice->EndPoints[i];//EndPoints-端點(diǎn)列表，最大16.EndPoints[0]指向控制端點(diǎn)(CCyControlEndPoint)，未使用的端點(diǎn)設(shè)置為NULL。

　　if (endpt->Attributes == 2) // Bulk Attributes 判斷傳輸類型bulk，control，等。

　　{

　　sprintf(s, "0x%02x", endpt->Address);

　　if (endpt->Address & 0x80) //Address--判斷傳輸方向in or out 0x8_-in;0x0_-out

　　{

　　m_InEndptComBox.AddString(s); //最高位為8，in端點(diǎn)，添加到in組合框m_InEndptComBox.SetItemData(m_InEndptComBox.GetCount()-1,i);

　　else

　　{

　　m_OutEndptComBox.AddString(s); //否則，最高位為0，out端點(diǎn)，添加到out組合框m_OutEndptComBox.SetItemData(m_OutEndptComBox.GetCount()-1,i);

　　}}}[!--empirenews.page--]

　　這樣，就完成了某個(gè)具體端點(diǎn)的選擇。如果只需要使用一個(gè)端點(diǎn)的話，那上面的代碼無疑就顯得冗長(zhǎng)不夠簡(jiǎn)潔了。僅使用一個(gè)端點(diǎn)，可以使用EndPointOf()函數(shù)，該函數(shù)直接使用指定的端點(diǎn)，返回其指針;例如，要使用端點(diǎn)2，in傳輸，那么，可以這樣：

　　CCyUSBDevice *USBDevice=new CCyUSBDevice(m_hWnd); //USB設(shè)備

　　USBDevice->Open(0); //打開0號(hào)設(shè)備，

　　CCyUSBEndPoint *endpt = USBDevice->EndPointOf(0X82); //使用端點(diǎn)2，in傳輸可以看到，上面的只需要3行代碼，比枚舉簡(jiǎn)潔方便多了。至于獲取USB其他屬性，這里列出經(jīng)常使用的幾個(gè)：(1)USBDevice->DeviceCount()//返回連接到電腦的USB設(shè)備個(gè)數(shù)，從0，1，2.開始命名(2)USBDevice->DeviceName()//返回USB設(shè)備名稱，也就是固件中 StringDscr2:字段字符串。(3)USBDevice->VendorID//返回USB設(shè)備VIDUSBDevice->ProductID//返回USB設(shè)備PID。具體的可參考cyapi的文檔，在CCyUSBDevice和CCyUSBEndPoint這兩個(gè)類里可查詢到。

　　4)傳輸命令控制

　　可以說，寫USB上位機(jī)，要對(duì)固件進(jìn)行自定義命令傳輸，通常都是用輸入輸出控制傳輸進(jìn)行的，即使用控制傳輸in或者out方式實(shí)現(xiàn)對(duì)固件的自定義命令。

　　(1)out控制傳輸發(fā)送vendor命令

　　采用out方式應(yīng)該比較符合大家的思維，因?yàn)槭菑纳衔粰C(jī)發(fā)命令到下位機(jī)，怎么看都應(yīng)該是out而不是in。例如你在固件里設(shè)置了out的接收buf：

　　BOOL DR_VendorCmnd(void)

　　{

　　switch (SETUPDAT[1])

　　{

　　case 0xDD:

　　{ temp=EP0BUF[0];

　　EP0BCH=0;

　　EP0BCL=1;

　　EP0CS |=bmHSNAK;

　　break;

　　}

　　default:

　　return(TRUE);

　　}

　　return(FALSE);

　　}

　　在VS2008的C++/MFC中：

　　CCyControlEndPoint* CtlEndpoint;//定義一個(gè)控制端點(diǎn)

　　CtlEndpoint->Target = TGT_DEVICE;//不必關(guān)注，固定

　　CtlEndpoint->ReqType = REQ_VENDOR; //請(qǐng)求類型：自定義請(qǐng)求(標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求等)CtlEndpoint->Direction = DIR_TO_DEVICE; //傳輸方向：主機(jī)->usb設(shè)備(out)

　　CtlEndpoint->ReqCode = 0XDD; //自定義請(qǐng)求碼

　　CtlEndpoint->Value = 0; //這里的設(shè)定值將傳給setupdat的[2:3]位

　　CtlEndpoint->Index = 0; //這里的設(shè)定值將傳給setupdat的[4:5];PUCHAR buf=new UCHAR[1];

　　ZeroMemory(buf,1);//用0填充buf區(qū)，填充大小(1字節(jié))

　　long buflen=1;//傳輸?shù)钠渌止?jié)數(shù)：cy控制臺(tái)console中l(wèi)ength的值。

　　CtlEndpoint->XferData(buf,buflen);

　　當(dāng)然，沒有規(guī)定說一定必須傳給下位機(jī)至少一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù);你也可以不傳;不過最好下位機(jī)同樣設(shè)置接收字節(jié)為0，否則小心有莫名奇妙的錯(cuò)誤(XX內(nèi)存不能為只讀等等)。

　　將temp=EP0BUF[0];去掉，上位機(jī)：

　　PUCHAR buf=new UCHAR; //用0填充buf區(qū)，填充大小(1字節(jié))

　　long buflen=0;

　　CtlEndpoint->XferData(buf,buflen);

　　也是可以的，另外，控制傳輸請(qǐng)盡量用同步的xferdata()而不是異步的begindataxfer()。

　　(2)in控制傳輸發(fā)送vendor命令

　　基本上，跟out區(qū)別不大。固件中：

　　BOOL DR_VendorCmnd(void)

　　{

　　switch (SETUPDAT[1])

　　{

　　case 0xDD:

　　{

　　*EP0BUF=0XDD;

　　EP0BCH=0;

　　EP0BCL=1;

　　EP0CS |=bmHSNAK;

　　break;

　　}

　　default:

　　return(TRUE);

　　}

　　return(FALSE);

　　}

　　VC中：CCyControlEndPoint* CtlEndpoint; //定義一個(gè)控制端點(diǎn)

　　CtlEndpoint->Target = TGT_DEVICE;//不必關(guān)注，固定

　　CtlEndpoint->ReqType= REQ_VENDOR; //請(qǐng)求類型：自定義請(qǐng)求(標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求等)CtlEndpoint->Direction = DIR_FROM_DEVICE; //傳輸方向：usb設(shè)備->主機(jī)(in)CtlEndpoint->ReqCode = 0XDD; //自定義請(qǐng)求碼CtlEndpoint->Value = 0;//這里的設(shè)定值將傳給setupdat的[2:3]位CtlEndpoint->Index = 0; //這里的設(shè)定值將傳給setupdat的[4:5]位PUCHAR buf=new UCHAR[1];

　　ZeroMemory(buf,1); //用0填充buf區(qū)，填充大小(1字節(jié))

　　long buflen=1; //傳輸?shù)钠渌止?jié)數(shù)：cy控制臺(tái)console中l(wèi)ength的值CtlEndpoint->XferData(buf,buflen);這里的話，推薦盡量設(shè)置接收緩沖，不要將buflen設(shè)置為0.同樣，控制傳輸請(qǐng)盡量用同步的xferdata()而不是異步的begindataxfer()。

　　(3)另外，還有兩個(gè)簡(jiǎn)化版本的函數(shù)Write(out傳輸)和Read(in傳輸)也可以進(jìn)行控制傳輸。其作用同XferData()是一樣的，因?yàn)橐呀?jīng)明確表示了是in還是out，所以Direction 項(xiàng)的值就省略了。只是看起來代碼更加簡(jiǎn)潔，輸入效率更高而已。基本上，大多數(shù)時(shí)候，使用Write和Read會(huì)方便很多。

　　CCyControlEndPoint* CtlEndpoint; //定義一個(gè)控制端點(diǎn)

　　CtlEndpoint->Target = TGT_DEVICE; //不必關(guān)注，固定

　　CtlEndpoint->ReqType = REQ_VENDOR; //請(qǐng)求類型：自定義請(qǐng)求(標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求等)CtlEndpoint->ReqCode = 0XDD; //自定義請(qǐng)求碼CtlEndpoint->Value = 0; //這里的設(shè)定值將傳給setupdat的[2:3]位CtlEndpoint->Index = 0; //這里的設(shè)定值將傳給setupdat的[4:5]位PUCHAR buf=new UCHAR[1];ZeroMemory(buf,1);//用0填充buf區(qū)，填充大小(1字節(jié)) long buflen=1; //傳輸?shù)钠渌止?jié)數(shù)：cy控制臺(tái)console中l(wèi)ength的值CtlEndpoint->Write(buf,buflen);

　　Read的話同理。