基于USB2.0總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者Email: cai_yang@etang.com

摘要：本文主要介紹支持USB2.0高速傳輸?shù)腅Z－USB FX2單片機(jī)CY7C68013，并詳細(xì)說明用此芯片實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和相應(yīng)的Windows驅(qū)動(dòng)程序及底層固件程序的開發(fā)過程。

關(guān)鍵詞：CY7C68013  USB2.0  數(shù)據(jù)采集  固件

1    引言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，在瞬態(tài)信號(hào)測量、圖像處理等一些高速、高精度的測量中，需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，存在以下缺點(diǎn)：安裝麻煩、價(jià)格昂貴；受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差；在一些電磁干擾性強(qiáng)的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。

通用串行總線USB是1995年康柏、微軟、IBM、DEC等公司為解決傳統(tǒng)總線不足而推廣的一種新型的通信標(biāo)準(zhǔn)。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢?；赨SB的高速數(shù)據(jù)采集卡充分利用USB總線的上述優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。

2    硬件設(shè)計(jì)

2.1支持USB2.0高速傳輸?shù)腃Y7C68013

Cypress Semiconductor公司的EZ－USB FX2是世界上第一款集成USB2.0的微處理器，它集成了USB2.0收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口。FX2這種獨(dú)創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到56Mbytes/s，即USB2.0允許的最大帶寬。在FX2中，智能SIE可以硬件處理許多USB1.1和USB2.0協(xié)議，從而減少了開發(fā)時(shí)間和確保了USB的兼容性。GPIF（General Programmable Interface）和主/從端點(diǎn)FIFO（8位或16位數(shù)據(jù)總線）為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了簡單和無縫連接接口。

CY7C68013的GPIF引擎具有自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，這種特性使得外圍設(shè)備和主機(jī)通過CY7C68013可以無縫的、高速的傳輸數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，CY7C68013CPU不會(huì)直接參與數(shù)據(jù)的傳輸，而是直接利用GPIF的自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)模式。圖1和圖2說明了主機(jī)IN和OUT數(shù)據(jù)傳輸過程。

2.1.1 端點(diǎn)緩沖區(qū)

FX2包含3個(gè)64字節(jié)端點(diǎn)緩沖區(qū)和4K可配置成不同方式的緩沖，其中3個(gè)64字節(jié)的緩沖區(qū)為EP0、EP1IN和EP1OUT。EP0作為控制端點(diǎn)用，它是一個(gè)雙向端點(diǎn)，既可為IN也可為OUT。當(dāng)需要控制傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，FX2固件讀寫EP0緩沖區(qū)，但是8個(gè)SETUP字節(jié)數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)在這64字節(jié)EP0端點(diǎn)緩沖區(qū)中。EP1IN和EP1OUT使用獨(dú)立的64字節(jié)緩沖區(qū)，FX2固件可配置這些端點(diǎn)為BULK、INTERRUPT或ISOCHRONOUS傳輸方式，這兩個(gè)端點(diǎn)和EP0一樣只能被固件訪問。這一點(diǎn)與大端點(diǎn)緩沖區(qū)EP2、EP4、EP6和EP8不同，這四個(gè)端點(diǎn)緩沖區(qū)主要用來和片上或片外進(jìn)行高帶寬數(shù)據(jù)傳輸而無需固件的參與。EP2、EP4、EP6和EP8是高帶寬、大緩沖區(qū)。它們可被配置成不同的方式來適應(yīng)帶寬的需求。

2.1.2 接口信號(hào)

在利用GPIF進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，GPIF waveforms的編輯是非常重要的，它控制著整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程的讀寫時(shí)序。此時(shí)CPU的作用已經(jīng)非常小了，它只起著下載代碼到內(nèi)部RAM以及在固件中如何觸發(fā)GPIF waveforms的作用。FX2專門為GPIF提供了外圍接口信號(hào)，如8位或16位的數(shù)據(jù)線、控制信號(hào)、Ready信號(hào)以及地址線。

IFCLK（雙向時(shí)鐘信號(hào)）：IFCLK是一個(gè)參考時(shí)鐘，可以配置成輸入或輸出。當(dāng)配置為輸出時(shí)，IFCLK被FX2驅(qū)動(dòng)為30MHz或48MHz；當(dāng)配置為輸入時(shí)，時(shí)鐘范圍為5－48MHz。

GPIFADR[8:0]（輸出）：GPIF使用GPIFADR信號(hào)為外部設(shè)備提供地址線，在總線上地址值是自增的。

FD[15:0]（雙向）：這是USB主機(jī)通過FX2和外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線，它可配置成8位或16位。當(dāng)16位時(shí)，FD[7:0]代表端點(diǎn)FIFO中的第一個(gè)字節(jié)，FD[15:8]代表第二個(gè)字節(jié)。

CTL[5:0]（輸出）：FX2為外部設(shè)備提供了幾個(gè)控制信號(hào)，如讀寫選通、使能等。

RDY[5:0]（輸入）：FX2提供了幾個(gè)狀態(tài)檢測信號(hào)，它可以檢測外部設(shè)備的狀態(tài)，如FIFO的空、滿、半滿等。

GSTATE[2:0]（輸出）：這是調(diào)試信號(hào)，表示GPIF波形執(zhí)行的狀態(tài)，通常連接到邏輯分析儀上。

2.2   AD9238

AD9238是一個(gè)雙通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器，采用單3V供電，速度可以是20MSPS、40MSPS和65MSPS；低功耗，工作在20MSPS時(shí)，功耗為180mW，40MSPS時(shí)，功耗為330mW，65MSPS時(shí)，功耗為600mW；具有500MHz 3dB帶寬的差分輸入；片上參考源及SHA；靈活的模擬輸入范圍：1Vp-p～2Vp-p；適用于：超聲波設(shè)備，射頻通訊，電池電源儀器，低價(jià)示波器等。本系統(tǒng)采用20MSPS的AD9238，可充分發(fā)揮USB在高速傳輸模式下的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢。

2.3   數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整個(gè)框圖如圖3所示，該系統(tǒng)由以下幾部份組成：USB控制器、FIFO、CPLD、AD9238以及數(shù)據(jù)采集前端電路。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

CPLD主要是控制時(shí)序，時(shí)鐘分頻等。FIFO主要是起著高速數(shù)據(jù)緩沖作用，當(dāng)FIFO半滿時(shí)，數(shù)據(jù)開始向USB主機(jī)發(fā)送。我們采用的是同步FIFO，時(shí)鐘信號(hào)接IFCLK，當(dāng)FIFO的/RD信號(hào)和/OE信號(hào)有效時(shí)，每個(gè)IFCLK上升沿就輸出一個(gè)數(shù)據(jù)；當(dāng)FIFO的/WR信號(hào)有效時(shí)，IFCLK上升沿就讀進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)。AD9238的20MHz時(shí)鐘信號(hào)是通過CPLD分頻所得。當(dāng)程序使能AD9238的/OEB_A和/OEB_B信號(hào)時(shí)，AD9238雙通道開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并向FIFO寫數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)前端的調(diào)理電路采用的是AD公司的AD8138，該放大器具有較寬的模擬帶寬（320MHz,-3dB,增益1），而且可以實(shí)現(xiàn)將單端輸入變成差分輸出的功能。此項(xiàng)功能在現(xiàn)代高速模數(shù)變換電路中非常有用，因?yàn)閹缀跛械母咚貯/D芯片都要求模擬信號(hào)為差分輸入，雖然部分芯片的手冊中提到對于單端輸入信號(hào)也可使用，但這樣一來會(huì)使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的二次諧波增大，降低信噪比(SNR)。AD8138很好的解決了這個(gè)問題，用戶可以很容易的將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分輸出而不必使用變壓器，并且它的輸入阻抗高達(dá)6MΩ，可以直接與輸入信號(hào)相連而省略隔離放大器，大大精簡了電路結(jié)構(gòu)。圖4為AD8138的典型應(yīng)用電路。

圖4  AD8138典型應(yīng)用電路

3    軟件設(shè)計(jì)
3.1 Windows驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基于WDM。WDM型驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核程序，與標(biāo)準(zhǔn)的Win32用戶態(tài)程序不同。采用了分層處理的方法。通過它，用戶不需要直接與硬件打它道（在USB驅(qū)動(dòng)程序中尤為明顯），只需通過下層驅(qū)動(dòng)程序提供的接口號(hào)訪問硬件。因此，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不必具體對硬件編程，所有的USB命令、讀寫操作通過總線驅(qū)動(dòng)程序轉(zhuǎn)給USB設(shè)備。但是，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須定義與外部設(shè)備的通訊接口和通訊的數(shù)據(jù)格式，也必須定義與應(yīng)用程序的接口。
Cypress公司提供了完整的CY7C68013驅(qū)動(dòng)程序源碼、控制面板程序及固件的框架，這大大提高了用戶開發(fā)的進(jìn)度。用戶只需稍加修改或不需任何修改即可使用所帶驅(qū)動(dòng)程序，軟件開發(fā)者大量的時(shí)間主要集中在應(yīng)用程序和固件的開發(fā)。本文所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序就在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡單的修改來滿足我們的需要。根據(jù)我們自己的需求，一般只需修改DeviceIoControl例程，如我們主要增加了控制數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)、啟動(dòng)和停止AD、復(fù)位FIFO等，即IOCTL_START_AD、IOCTL_STOP_AD、IOCTL_RESET_FIFO。

3.2 底層固件設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)USB2.0的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，必須使用它特有的GPIF特性，在開發(fā)固件前，首先必須根據(jù)實(shí)際需要對GPIF waveform進(jìn)行編輯。CY7C68013開發(fā)工具中帶有一個(gè)GPIF Designer，如圖5所示，編輯完waveform后，選擇Tools->Export to GPIF.c File來輸出GPIF.c文件，然后將該文件加入keil c工程進(jìn)行編譯。
由于CY7C68013的EP2、EP4、EP6、EP8四個(gè)端點(diǎn)共享4K FIFO緩沖區(qū)，所以在該系統(tǒng)中，我們將EP2配置成4K的緩沖區(qū)，并設(shè)置為IN。用EP1OUT作為AD的控制參數(shù)傳遞，如啟動(dòng)和停止AD數(shù)據(jù)輸出、復(fù)位FIFO等。在固件程序中，最重要的就是TD_Init（）和TD_Poll（）兩個(gè)函數(shù)。

圖5 GPIF Designer

在TD_Init（）中主要完成GPIF相應(yīng)寄存器的初始化，如下：
void TD_Init(void)             // Called once at startup
{
// set the CPU clock to 48MHz
  CPUCS = ((CPUCS & ~bmCLKSPD) | bmCLKSPD1);
  SYNCDELAY; 

  EP2CFG = 0XE8;     // EP2IN, bulk, size 1024, 4x buffered
  SYNCDELAY;                         
  EP4CFG = 0x00;     // EP4 not valid
  SYNCDELAY;              
  EP6CFG = 0x00;     // EP6 not valid     
  SYNCDELAY;
  EP8CFG = 0x00;     // EP8 not valid
  SYNCDELAY;
  
  
  FIFORESET = 0x80;  // set NAKALL bit to NAK all transfers from host
  SYNCDELAY;
  FIFORESET = 0x02;  // reset EP2 FIFO
  SYNCDELAY;
  FIFORESET = 0x00;  // clear NAKALL bit to resume normal operation
  SYNCDELAY;

  EP2FIFOCFG = 0x01; // allow core to see zero to one transition of auto out bit
  SYNCDELAY;
  EP2FIFOCFG = 0x11; // auto out mode, disable PKTEND zero length send, word ops
  SYNCDELAY;
  EP6FIFOCFG = 0x09; // auto in mode, disable PKTEND zero length send, word ops
  SYNCDELAY; 
  
  GpifInit (); // initialize GPIF registers
  
  SYNCDELAY;
  EP2GPIFFLGSEL = 0x02; // For EP2IN, GPIF uses FF flag
  SYNCDELAY;
  
  // global flowstate register initializations

FLOWLOGIC = FlowStates[19];      // 0011 0110b - LFUNC[1:0] = 00 (A AND B), //TERMA/B[2:0]=110 (FIFO Flag)
  SYNCDELAY;
  FLOWSTB = FlowStates[23];        // 0000 0100b - MSTB[2:0] = 100 (CTL4), not //used as strobe
  SYNCDELAY;
  GPIFHOLDAMOUNT = FlowStates[26]; // hold data for one half clock (10ns) assuming //48MHz IFCLK
  SYNCDELAY;
  FLOWSTBEDGE = FlowStates[24];    // move data on both edges of clock
  SYNCDELAY;
  FLOWSTBHPERIOD = FlowStates[25]; // 20.83ns half period
  SYNCDELAY;  

  // reset the external FIFO
  OEA |= 0x07;     // turn on PA0、 PA1、 PA2 as output pin
  IOA |= 0x07;     // pull PA0、 PA1、 PA2 high initially
  IOA &= 0xFB;     // bring PA2 low
  EZUSB_Delay (1); // keep PA2 low for ~1ms, more than enough time
  IOA |= 0x04;     // bring PA2 high and exit reset
IOA &= 0xFC;     // bring PA0、 PA1 low and enable AD
  
}
在TD_Poll（）中主要完成外部FIFO狀態(tài)的檢測和數(shù)據(jù)的傳輸，主要程序部分如下：
void TD_Poll(void)
{
    if ( GPIFTRIG & 0x80 )                  // if GPIF interface IDLE
    { 
      if ( EXTFIFONOTEMPTY )                // if external FIFO is not empty
      {
        if ( !( EP24FIFOFLGS & 0x01 ) )     // if EP2 FIFO is not full
        {      
          if(enum_high_speed)
          {
            SYNCDELAY;    
            GPIFTCB1 = 0x02;                // setup transaction count (1024 //bytes/2 for word wide -> 0x0100)
            SYNCDELAY;
            GPIFTCB0 = 0x00;
            SYNCDELAY;
          }
          else
          {
            SYNCDELAY;
            GPIFTCB1 = 0x00;                // setup transaction count (64 bytes/2 
// for word wide -> 0x20)
            SYNCDELAY;
            GPIFTCB0 = 0x20;
            SYNCDELAY;
          }
  
          Setup_FLOWSTATE_Read();           // setup FLOWSTATE registers for 
// FIFO Read operation
          SYNCDELAY;
          GPIFTRIG = GPIFTRIGRD | GPIF_EP2; // launch GPIF FIFO READ 
//Transaction to EP2 FIFO
          SYNCDELAY;

          while( !( GPIFTRIG & 0x80 ) )     // poll GPIFTRIG.7 GPIF Done bit
          {
            ;
          }
    
          SYNCDELAY;
        }
      }
    }
}

4    結(jié)束語
筆者通過對該高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了雙通道AD采集，采集速度可以達(dá)到20MSPS，但在此基礎(chǔ)上還可以提高AD采集速度。