[導讀]基于SOPC的高速數據采集系統的分析與設計
0 引言
傳統數據采集卡多采用PCI或ISA總線接口，這種方式安裝麻煩、價格昂貴，且受計算機插槽數量、地址、中斷資源限制，有擴展性差等缺點。而USB通用串行總線則具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優(yōu)點，其中USB2.0標準具有480Mbps的最高數據傳輸率，這使USB成為本系統所選接口的主要類型。控制方面，傳統數據采集通常使用單片機或DSP作CPU來進行控制和數據處理。其中單片機的時鐘頻率低，無法適應高速數據采集；DSP雖能滿足速度要求，但在速度提高的同時，也提高了成本。而用FPGA實現的SOPC則具有時鐘頻率高、內部延時小和配置靈活等優(yōu)勢。數據顯示方面，采用虛擬儀器不但可按要求設計且變換靈活，還能執(zhí)行傳統儀器無法實現的許多功能。為此，本系統使用FPGA實現SOPC數據采集系統，并利用Labview實現系統的顯示與控制。
1數據采集系統總體設計
基于SOPC的高速數據采集系統總體框圖如圖1所示。圖中，ADC(Analog t0 Digital Converter)模數轉換器采用的是8位高速模數轉換器TLV5580。調理電路用于實現對輸入信號的限幅、限壓、濾波，并用增加輸入阻抗的措施來獲取預期有效信號，同時保護后端AD轉換芯片。FPGA采用ALTERA公司的EPIC6Q240芯片來實現ADC控制及FIFO數據緩存；基于FPGA芯片的控制系統可直接用邏輯實現，也可在其基礎上實現SOPC對數據的采集、傳輸的控制。USB采用CYPRESS公司可支持USB2.0協議的高速芯片CY7C68013。FPGA可控制TLV5580的連續(xù)采樣，并將數據送到FIFO數據緩存。當采集到一定量的數據后，CY7C68013便采用slave fifo方式將數據送給PC端，并由PC端軟件Labview實現的虛擬儀器進行顯示和控制等處理。
2數據采集系統硬件設計
2.1 模數轉換器TLV5580及其控制
TLV5580是一款高速8位模擬／數字轉換器，它具有80 Msps采樣速率，是一款3.3 V工作電壓的低功耗6級流水線結構高速A／D芯片。它的采樣信號每1個時鐘周期可通過一個STAGE，完成連續(xù)轉換到數據輸出共需6個時鐘周期。此流水線結構由6個ADC／DAC級和一個終極快閃ADC構成。采用A／D-D／A兩次變化以及糾錯邏輯的目的在于進行差錯校正，以保證流水線上各個階段在滿操作溫度范圍下，ADC的偏移量能夠得到補償且不丟失代碼。TLV5580的時序圖如圖2所示。可以看出，該A／D轉換器時序簡單，容易控制。當輸出使能(OE)為低電平時，一旦數據流水線滿，其數據將在每一個時鐘周期的上升沿輸出。
2.2 USB芯片CY7C68013(FX2)
為了滿足對USB傳輸速度較高的需要，本設計選擇了Cypress公司內置USB接口的微控制器芯片EZUSBFX2。FX2系列芯片獨特的結構使其數據傳輸速度最高可達56Mbps，故可最大限度地滿足USB2.0的帶寬。此外，CY7C68013提供有一個串行接口引擎(SIE)，可負責大部分USB2.0協議的處理工作，從而大大減輕USB協議處理的工作量，并可提供4KB的FIFO，以保證數據高速傳輸的需要。CY7C68013可配置成三種不同的接口模式：Ports、GPIF Master和Slave FIFO。本項目采用Slave FIFO模式。在該模式下，外部邏輯或外部處理器直接連接到FX2的端點FIFO，因為外部邏輯可以直接控制FIFO，所以，FIFO的基本控制信號(標志、片選、使能)均由FX2的引腳引出。其外部控制可以是同步，也可以是異步，可以使用內部時鐘，也可以使用外部時鐘。
2.3 FPGA器件EPIC60240C6
FPGA (Field Programmable Gate Array)即現場可編程門陣列。本設計選用的是ALTERA公司的EPIC60240芯片，該芯片的工作電壓為1.5 V，存儲器密度可達5980個邏輯單元，它包含20個128x36位RAM塊，總的RAM空間達92160位，此外還內嵌了2個鎖相環(huán)電路和一個用于連接SDRAM的特定雙數據率接口，故可支持多種不同的I／O標準。事實上，這里的FPGA除了可以直接編程以進行邏輯控制外，也可在此基礎上構建SOPC系統，以便使用軟、硬件協同方法，與SDRAM構成一個大容量的FIFO來對SDRAM以及MD轉換器進行控制，同時完成與USB器件的協同工作。
2.4 SOPC及其設計
SOPC (System on a Programmable Chip)即可編程片上系統。它可以由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能；這種可編程系統具有靈活的設計方式，而且可裁減、可擴充、可升級。本設計采用ALTERA公司率先推出的SOPC解決方案，來將處理器、存儲、I／O口等系統所需集成到一個FPGA器件上，并對其進行軟、硬件配置，從而實現對數據的采集、傳輸、顯示控制。圖3所示是其SOPC系統框圖。
[!--empirenews.page--]3數據采集系統軟件設計
本系統軟件包括SOPC系統程序、USB固件程序、驅動程序和應用程序等4個方面的設計。其中SOPC系統程序和USB固件程序是整個程序設計的核心。
3.1 SOPC系統程序設計
基于QuartusII和Nios的SOPC設計流程如圖4所示。
本系統中的SOPC系統軟件設計是指在FPGA中配置ALTERA公司NiosII嵌入式處理器的硬件環(huán)境。其中NiosII處理器的配置可基于QuartusII，它是ALTERA公司的大規(guī)模FPGA／CPLD開發(fā)工具。為了進行Nios處理器的開發(fā)，通常要在Quartus里裝入NiosII的軟硬件開發(fā)工具，同時在提供的開發(fā)包中使用軟件SOPC Builder開發(fā)工具加載NiosII核和外圍接口，并定義相應的指令，然后對系統進行綜合后，再下載到FPGA中，就可以完成特定功能的處理器設計。
3.2 USB固件程序設計
CY68013芯片的固件程序主要負責處理PC機發(fā)來的各種USB設備請求，并與外圍電路進行數據傳輸。CYPRESS公司提供的固件程序框架中的兩個程序分別是FW．C和PERIPH．C。其中FW．C是固件運行的主程序文件，負責處理各種USB設備請求，包含程序框架的MAIN函數，它可管理整個51內核的運行。而對于PERIPH．C，則必須將PERIPH．C實例化，以實現所需的功能。固件程序中最重要的是TD_init()和TD_poll()兩個函數。TD_Init函數負責對CY7C68013的初始化，它一般在固件運行開始時調用；TD_poll函數是數據采集的執(zhí)行子程序，它首先判斷內部端點6的緩沖區(qū)和外部FIFO緩沖器是否非空，如滿足條件，則啟動A／D轉換，并根據USB設備工作在高速和全速的不同來設置不同的傳輸計數。本設計中將接收數據端點6設為SLAVE FIFO模式，并使用AUTO IN模式來接收FPGA發(fā)來的數據，數據流由外部FIFO控制器控制，并直接傳人端點6的FIFO，以等待主機提取。這里，CY7C68013僅作為數據通道，CPU不參與此過程。因此，只需在固件的初始化程序中配置好端點6的SLAVE FIFO接口模式，剩下的傳輸控制和其它的工作則可由FPGA來完成。以下是針對本設計的部分固件程序：
Void TD_Poll(void)／／在設備運行時反復被調用，主要完成外部FIFO狀態(tài)檢測和數據傳輸
3.3 USB驅動程序設計
Windows下的USB驅動程序通常由3部分組成：USB設備驅動程序、USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序。其中，Windows操作系統已經提供了處于驅動程序棧底的USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序。而USB設備驅動程序則要由設備開發(fā)者編寫。它應能通過向USB總線驅動程序發(fā)送包含URB(USB Request Block)的IRP(I／O Request Packet)來實現USB外設之間的信息交換。本設計采用Jungo公司的Win Driver進行驅動程序開發(fā)，并根據Win Driver提供的驅動向導和用戶需要，來自動生成代碼框架，從而簡化驅動程序的開發(fā)。
3.4應用程序設計
本設計采用NI公司的虛擬儀器(VI)開發(fā)平臺Labview來進行應用程序的設計。VI包括三部分：前面板、框圖程序和圖標／連接器。其中前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量。每一個前面板都對應著一段框圖程序?？驁D程序可用Labview圖形編程語言—G語言來編寫。圖標／連接器是子VI可被其它Ⅵ調用的接口。圖標是子VI在其它程序框圖中被調用的節(jié)點表現形式；而連接器則是節(jié)點數據的輸入／輸出口。連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應。
4結束語
本文介紹了一種基于SOPC和USB2.0接口的高速數據采集系統及其虛擬儀器的設計方法。實驗表明，基于本設計的高速數據采集系統具有抗干擾、可靠性高、失碼率低等優(yōu)點。
傳統數據采集卡多采用PCI或ISA總線接口，這種方式安裝麻煩、價格昂貴，且受計算機插槽數量、地址、中斷資源限制，有擴展性差等缺點。而USB通用串行總線則具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優(yōu)點，其中USB2.0標準具有480Mbps的最高數據傳輸率，這使USB成為本系統所選接口的主要類型。控制方面，傳統數據采集通常使用單片機或DSP作CPU來進行控制和數據處理。其中單片機的時鐘頻率低，無法適應高速數據采集；DSP雖能滿足速度要求，但在速度提高的同時，也提高了成本。而用FPGA實現的SOPC則具有時鐘頻率高、內部延時小和配置靈活等優(yōu)勢。數據顯示方面，采用虛擬儀器不但可按要求設計且變換靈活，還能執(zhí)行傳統儀器無法實現的許多功能。為此，本系統使用FPGA實現SOPC數據采集系統，并利用Labview實現系統的顯示與控制。
1數據采集系統總體設計
基于SOPC的高速數據采集系統總體框圖如圖1所示。圖中，ADC(Analog t0 Digital Converter)模數轉換器采用的是8位高速模數轉換器TLV5580。調理電路用于實現對輸入信號的限幅、限壓、濾波，并用增加輸入阻抗的措施來獲取預期有效信號，同時保護后端AD轉換芯片。FPGA采用ALTERA公司的EPIC6Q240芯片來實現ADC控制及FIFO數據緩存；基于FPGA芯片的控制系統可直接用邏輯實現，也可在其基礎上實現SOPC對數據的采集、傳輸的控制。USB采用CYPRESS公司可支持USB2.0協議的高速芯片CY7C68013。FPGA可控制TLV5580的連續(xù)采樣，并將數據送到FIFO數據緩存。當采集到一定量的數據后，CY7C68013便采用slave fifo方式將數據送給PC端，并由PC端軟件Labview實現的虛擬儀器進行顯示和控制等處理。
2數據采集系統硬件設計
2.1 模數轉換器TLV5580及其控制
TLV5580是一款高速8位模擬／數字轉換器，它具有80 Msps采樣速率，是一款3.3 V工作電壓的低功耗6級流水線結構高速A／D芯片。它的采樣信號每1個時鐘周期可通過一個STAGE，完成連續(xù)轉換到數據輸出共需6個時鐘周期。此流水線結構由6個ADC／DAC級和一個終極快閃ADC構成。采用A／D-D／A兩次變化以及糾錯邏輯的目的在于進行差錯校正，以保證流水線上各個階段在滿操作溫度范圍下，ADC的偏移量能夠得到補償且不丟失代碼。TLV5580的時序圖如圖2所示。可以看出，該A／D轉換器時序簡單，容易控制。當輸出使能(OE)為低電平時，一旦數據流水線滿，其數據將在每一個時鐘周期的上升沿輸出。
2.2 USB芯片CY7C68013(FX2)
為了滿足對USB傳輸速度較高的需要，本設計選擇了Cypress公司內置USB接口的微控制器芯片EZUSBFX2。FX2系列芯片獨特的結構使其數據傳輸速度最高可達56Mbps，故可最大限度地滿足USB2.0的帶寬。此外，CY7C68013提供有一個串行接口引擎(SIE)，可負責大部分USB2.0協議的處理工作，從而大大減輕USB協議處理的工作量，并可提供4KB的FIFO，以保證數據高速傳輸的需要。CY7C68013可配置成三種不同的接口模式：Ports、GPIF Master和Slave FIFO。本項目采用Slave FIFO模式。在該模式下，外部邏輯或外部處理器直接連接到FX2的端點FIFO，因為外部邏輯可以直接控制FIFO，所以，FIFO的基本控制信號(標志、片選、使能)均由FX2的引腳引出。其外部控制可以是同步，也可以是異步，可以使用內部時鐘，也可以使用外部時鐘。
2.3 FPGA器件EPIC60240C6
FPGA (Field Programmable Gate Array)即現場可編程門陣列。本設計選用的是ALTERA公司的EPIC60240芯片，該芯片的工作電壓為1.5 V，存儲器密度可達5980個邏輯單元，它包含20個128x36位RAM塊，總的RAM空間達92160位，此外還內嵌了2個鎖相環(huán)電路和一個用于連接SDRAM的特定雙數據率接口，故可支持多種不同的I／O標準。事實上，這里的FPGA除了可以直接編程以進行邏輯控制外，也可在此基礎上構建SOPC系統，以便使用軟、硬件協同方法，與SDRAM構成一個大容量的FIFO來對SDRAM以及MD轉換器進行控制，同時完成與USB器件的協同工作。
2.4 SOPC及其設計
SOPC (System on a Programmable Chip)即可編程片上系統。它可以由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能；這種可編程系統具有靈活的設計方式，而且可裁減、可擴充、可升級。本設計采用ALTERA公司率先推出的SOPC解決方案，來將處理器、存儲、I／O口等系統所需集成到一個FPGA器件上，并對其進行軟、硬件配置，從而實現對數據的采集、傳輸、顯示控制。圖3所示是其SOPC系統框圖。
[!--empirenews.page--]3數據采集系統軟件設計
本系統軟件包括SOPC系統程序、USB固件程序、驅動程序和應用程序等4個方面的設計。其中SOPC系統程序和USB固件程序是整個程序設計的核心。
3.1 SOPC系統程序設計
基于QuartusII和Nios的SOPC設計流程如圖4所示。
本系統中的SOPC系統軟件設計是指在FPGA中配置ALTERA公司NiosII嵌入式處理器的硬件環(huán)境。其中NiosII處理器的配置可基于QuartusII，它是ALTERA公司的大規(guī)模FPGA／CPLD開發(fā)工具。為了進行Nios處理器的開發(fā)，通常要在Quartus里裝入NiosII的軟硬件開發(fā)工具，同時在提供的開發(fā)包中使用軟件SOPC Builder開發(fā)工具加載NiosII核和外圍接口，并定義相應的指令，然后對系統進行綜合后，再下載到FPGA中，就可以完成特定功能的處理器設計。
3.2 USB固件程序設計
CY68013芯片的固件程序主要負責處理PC機發(fā)來的各種USB設備請求，并與外圍電路進行數據傳輸。CYPRESS公司提供的固件程序框架中的兩個程序分別是FW．C和PERIPH．C。其中FW．C是固件運行的主程序文件，負責處理各種USB設備請求，包含程序框架的MAIN函數，它可管理整個51內核的運行。而對于PERIPH．C，則必須將PERIPH．C實例化，以實現所需的功能。固件程序中最重要的是TD_init()和TD_poll()兩個函數。TD_Init函數負責對CY7C68013的初始化，它一般在固件運行開始時調用；TD_poll函數是數據采集的執(zhí)行子程序，它首先判斷內部端點6的緩沖區(qū)和外部FIFO緩沖器是否非空，如滿足條件，則啟動A／D轉換，并根據USB設備工作在高速和全速的不同來設置不同的傳輸計數。本設計中將接收數據端點6設為SLAVE FIFO模式，并使用AUTO IN模式來接收FPGA發(fā)來的數據，數據流由外部FIFO控制器控制，并直接傳人端點6的FIFO，以等待主機提取。這里，CY7C68013僅作為數據通道，CPU不參與此過程。因此，只需在固件的初始化程序中配置好端點6的SLAVE FIFO接口模式，剩下的傳輸控制和其它的工作則可由FPGA來完成。以下是針對本設計的部分固件程序：
Void TD_Poll(void)／／在設備運行時反復被調用，主要完成外部FIFO狀態(tài)檢測和數據傳輸
3.3 USB驅動程序設計
Windows下的USB驅動程序通常由3部分組成：USB設備驅動程序、USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序。其中，Windows操作系統已經提供了處于驅動程序棧底的USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序。而USB設備驅動程序則要由設備開發(fā)者編寫。它應能通過向USB總線驅動程序發(fā)送包含URB(USB Request Block)的IRP(I／O Request Packet)來實現USB外設之間的信息交換。本設計采用Jungo公司的Win Driver進行驅動程序開發(fā)，并根據Win Driver提供的驅動向導和用戶需要，來自動生成代碼框架，從而簡化驅動程序的開發(fā)。
3.4應用程序設計
本設計采用NI公司的虛擬儀器(VI)開發(fā)平臺Labview來進行應用程序的設計。VI包括三部分：前面板、框圖程序和圖標／連接器。其中前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量。每一個前面板都對應著一段框圖程序?？驁D程序可用Labview圖形編程語言—G語言來編寫。圖標／連接器是子VI可被其它Ⅵ調用的接口。圖標是子VI在其它程序框圖中被調用的節(jié)點表現形式；而連接器則是節(jié)點數據的輸入／輸出口。連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應。
4結束語
本文介紹了一種基于SOPC和USB2.0接口的高速數據采集系統及其虛擬儀器的設計方法。實驗表明，基于本設計的高速數據采集系統具有抗干擾、可靠性高、失碼率低等優(yōu)點。
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