Niosll和USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

引 言
    隨著現(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)信號測量、圖像信號處理等一些高速、高精度的測量中，都迫切需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集(如雷達(dá)信號分析、超音波信號分析)；而進(jìn)行數(shù)字處理的先決條件是將所研究的對象數(shù)字化，因此數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)日益得到重視。在圖像信號處理、瞬態(tài)信號檢測、工業(yè)過程檢測和監(jiān)控等領(lǐng)域，更是要求高速度、高精度、高實(shí)時性的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)?，F(xiàn)在的高速數(shù)據(jù)采集處理卡一般采用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)和高速總線技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)。DSP用于完成計(jì)算量巨大的實(shí)時處理算法，高速總線技術(shù)則完成處理結(jié)果或者采樣數(shù)據(jù)的快速傳輸。DSP主要采用TI和ADI公司的產(chǎn)品，高速總線可以采用ISA、PCI、USB等總線技術(shù)。其中PCI卡或ISA卡安裝麻煩，價格昂貴，受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，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，易導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。通用串行總線USB是為解決傳統(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)發(fā)展趨勢。基于USB的高速數(shù)據(jù)采集卡充分利用USB總線的上述優(yōu)點(diǎn)，有效地克服了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要是基于USB2．O的S1ave FIFO模式，在FPGA控制下完成雙通道、不同速率的數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，全兼容USB2．O總線接口標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)的采樣率可高達(dá)65 Msps；適用于較高速動態(tài)信號的實(shí)時記錄采集，其硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    該系統(tǒng)主要由信號調(diào)理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、觸發(fā)模塊、基于FPGA的主控模塊、USB收發(fā)控制模塊、片外存儲器及其他輔助電路組成。調(diào)理電路與A／D轉(zhuǎn)換器，將傳感器采集的模擬信號進(jìn)行相關(guān)的信號調(diào)理后送入AD9244芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。處理后的數(shù)據(jù)送往FPGA主控模塊，根據(jù)相關(guān)的控制信息，選擇通過直接傳輸給上位機(jī)，或者先存儲在外部SDRAM，然后經(jīng)過相關(guān)的數(shù)字
處理后再傳輸給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)模塊介紹
2．1 USB2．0專用微處理器CY7C68013A
    CY7C68013A是Cypress Semiconductor公司生產(chǎn)的一款集成USB2．O的微處理器。它有3種封裝形式——56SSOP、100TQFP和128TQFP，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    CY7C68013集成了USB2．O收發(fā)器、SIE、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口部件。其SIE可在全速(12 Mb／s)和高速(480 Mb／s)兩種模式下運(yùn)行，同樣可以使用內(nèi)部RAM來進(jìn)行程序和數(shù)據(jù)的存儲。GPIF和Master／Slave端口FIFO為ATA、UTOHA、EPP、PCM—CIA和DSP等提供了簡單和無需附加邏輯的連接接口。其編程可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行，不需要CPU的干預(yù)，只需通過CPU的一些標(biāo)志和中斷即可進(jìn)行通信。CY7C68013共有7個輸入輸出端口：EP0、EPlOUT、EPlIN、EP2、EP4、EP6、EP8，其中EP2、EP4、EP6、EP8可以分別被配置為批量／中斷／同步傳輸模式，傳輸方向均可配置為I／O，端口EP2、EP6的緩沖區(qū)大小可編程為512或1 024字節(jié)，深度可編程為2／3／4倍大小；端口EP4、EP8的緩沖區(qū)大小固定為512字節(jié)，深度為2倍，采用不同的配置方式，可實(shí)現(xiàn)特定帶寬和速率要求的數(shù)據(jù)傳輸。

2．2 主控電路FPGA芯片
    EP2C8Q208EP2C8Q208主控電路如圖3所示。
    FPGA芯片也是一種特殊的ASIC芯片，屬于可編程邏輯器件，它是在PAL、GAL等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同以往的PAL、GAL等相比，F(xiàn)PGA規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應(yīng)用。本文選用A1tera公司的FPGA芯片EP2C8Q208，完成數(shù)據(jù)采集卡的時序和地址譯碼電路設(shè)計(jì)。由于EP2C8Q208有36個M4K RAM，在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)一個16位寬度、4 KB深度的FIFO，使用FIFO提高數(shù)據(jù)采集卡對多通道信號的采集存儲能力。FIFO有半滿、全滿、空標(biāo)志位，當(dāng)檢測到半滿標(biāo)志位時，F(xiàn)IFO同時讀寫；全滿時只讀不寫；空時只寫不讀。A／D采樣控制信號通過FPGA控制；PC機(jī)對采集后的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，以提高精度，其中2選1模塊，由主控制模塊來控制，選擇是直接將采集數(shù)據(jù)送給PC機(jī)處理，還是在內(nèi)部進(jìn)行DSP處理后再送給PC機(jī)。

    由于Nios是一個位于FPGA中的處理器軟核，定制其外設(shè)就顯得比較容易，在SOPC Builder(集成到Quartus II工具中的為建立SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供標(biāo)準(zhǔn)化的圖形設(shè)計(jì)環(huán)境。其由CPU、存儲器接口、標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備和用戶自定義的外圍設(shè)備組成)環(huán)境下，其定制邏輯的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    自定制的Avalon外設(shè)按照對總線操作的方式可分為：Avalon Slave外設(shè)和Avalon Streaming Slave(流模式)外設(shè)。在SOPC Builder圖形設(shè)計(jì)界面下添加需要的內(nèi)核。通過自動分配系統(tǒng)基地址和系統(tǒng)中斷向量，手動分配CPU復(fù)位地址為外設(shè)Flash、CPU溢出地址為片上RAM和CPU調(diào)試斷點(diǎn)地址為JTAG調(diào)試地址，就可由系統(tǒng)報告得知系統(tǒng)是否定制成功，如圖5所示。

2．3 ADC芯片及外圍電路設(shè)計(jì)
    ADC外圍電路框圖如圖6所示。

    信號調(diào)理部分選用高精度、低噪聲、低輸入偏置電流、寬帶運(yùn)算場效應(yīng)放大器AD8ll進(jìn)行信號的放大。模擬信號處理是影響系統(tǒng)性能的重要因素之一，設(shè)計(jì)時必須考慮兩個方面：一是要保證信號質(zhì)量，提高信噪比，盡量減少畸變；二是將信號變換成適合A／D處理的幅度并提供足夠的驅(qū)動能力。這里選用ADI公司的寬帶運(yùn)放AD811為放大器。AD8ll是一種電流反饋型的放大器，它具有10 MHz的低失真和單位增益帶寬很寬的特點(diǎn)，使AD81l成為理想的高分辨率ADC緩沖器。之后針對信號進(jìn)行檔速變換。檔速變換選用ADG系列產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)選用的是一款四路獨(dú)立選擇的單片CMOS開關(guān)芯片，其設(shè)計(jì)基于增強(qiáng)的lc2mos進(jìn)程、可以提供低功耗、高轉(zhuǎn)換速度和低阻抗性，當(dāng)信號滿足A／D變換的要求后，根據(jù)采集要求將其由單端輸入變換為差分的雙端輸出，芯片選用AD8138。AD8138具有較寬的模擬帶寬(320 MHz，一3dB，增益為1)，可以將單端輸入變成差分輸出。A／D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)則由信號放大芯片AD811采集信號和D／A轉(zhuǎn)換芯片信號進(jìn)行比較，當(dāng)有效時，發(fā)出ADn_TRIG信號，其中D／A轉(zhuǎn)換芯片的輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(數(shù)字輸入端)由FPGA來提供。當(dāng)ADn_TRIG有效時，F(xiàn)PGA向AD924．4發(fā)出控制命令(DIN、FORMAT、MODE、SCLK、sYNC、FSYNC信號)，啟動A／D轉(zhuǎn)換。
    A／D轉(zhuǎn)換器的精密時鐘由DDS電路AD9859YSV提供。

3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括3部分：固件程序、USB設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。整個軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括系統(tǒng)初始化、采樣控制、數(shù)據(jù)傳輸和波形顯示。
3．1 固件程序設(shè)計(jì)
    固件程序輔助硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)備雙向交換數(shù)據(jù)，以完成USB通信，其主要功能是：接收并處理USB驅(qū)動程序的請求及應(yīng)用程序的控制指令，控制A／D轉(zhuǎn)換器的采樣。當(dāng)首次插入USB時，F(xiàn)X2通過USB電纜會自動枚舉且下載固件和USB描述符表；接下來，F(xiàn)X2再次枚舉，這次主要通過下載的信息來定義設(shè)備。這兩個步驟叫作重枚舉。固件程序流程如圖7所示。初始化包含各個初值的設(shè)置
和關(guān)鍵點(diǎn)的電平檢測。

    在Cypress公司的網(wǎng)站(http．／／www．Cypress．com)上，可下載CY7(368013芯片的開發(fā)工具包。該開發(fā)包提供了一些開發(fā)固件程序所需的資源：Keil u Vision2集成開發(fā)環(huán)境(限制版)、Cypress C51固件框架程序以及一些例子程序。KeilCSl是一種專為8051單片機(jī)設(shè)計(jì)的高效率C語言編譯器，符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)，生成的程序代碼運(yùn)行速度極高，所需要的存儲空間極小，完全可與匯編語言相媲美。同時，C51具有豐富的庫函數(shù)，多達(dá)1O0多種功能函數(shù)。因此，采用C語言作為開發(fā)語言，以Keil uVision2作為工程開發(fā)平臺，完成源代碼的編寫、仿真、調(diào)試，將在相當(dāng)程度上降低固件開發(fā)難度，提高開發(fā)效率。
3．2 USB設(shè)備驅(qū)動設(shè)計(jì)
    USB設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)是基于WDM(WindowsDriver Model，驅(qū)動程序模型)的。WDM采用分層驅(qū)動程序模型，分為較高級的USB設(shè)備驅(qū)動程序和較低級的USB函數(shù)層。其中USB函數(shù)層由兩部分組成：較高級的通用串行總線模塊(us—BD)和較低級的主控制器驅(qū)動程序模塊(HCD)。
    本設(shè)計(jì)用WinDK3．O開發(fā)了Win2000下的驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)了控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)。在應(yīng)用程序開發(fā)中，可用VC++編制應(yīng)用程序。把USB設(shè)備當(dāng)成文件來操作，用Create—File得到USB句柄，用DevieeloControl來進(jìn)行控制傳輸，用ReadFile、WriteFile進(jìn)行批量傳輸。
3．3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    應(yīng)用程序流程如圖8所示。用戶應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，其主要功能為：開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道、設(shè)置A／D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實(shí)時從USB接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論
    用FPGA作為采集處理部分，可以提高系統(tǒng)處理的速度，大大增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。FPGA技術(shù)和USB的組合，使得數(shù)據(jù)處理能力得到了極大的提高，且有利于系統(tǒng)升級。USB芯片采用了Cpyress公司的高性能USB2．0芯片CY7C68013，可以完全勝任大數(shù)據(jù)量的傳送。該實(shí)例還可應(yīng)用于實(shí)時數(shù)據(jù)采集、音頻及壓縮視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。