基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)簡介

　　通用串行總線（USB）支持熱插撥，真正的即插即用。USB1.1在全速傳輸時可以達到12Mbps的傳輸速率；低速傳輸時傳輸速率可達1.5Mbps。USB電纜線只有4根，兩根是電源線，傳送5V電源，可用來向設備供電；另外兩根是信號線，用來傳輸串行數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的RS－232串口比較，USB具有傳輸速度更快、集成化程度更高、編程化更好以及能夠支持多個設備等優(yōu)點。因此在我們的設計中用它來和主機接口實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信。

　　在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常采用單片機或DSP(數(shù)字信號處理器)作為CPU,控制ADC（模/數(shù)轉換器）、存儲器和其他外圍電路的工作。但是單片機的時鐘頻率較低，難以適應高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，而DSP雖然可以實現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其速度提高的同時也提高了系統(tǒng)的成本。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）有單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢：時鐘頻率高，內部時延?。蝗靠刂七壿嬘捎布瓿?，速度快，效率高；組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。因此，在本系統(tǒng)中我們用FPGA來控制A/D和USB芯片的運行。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

                    圖1  系統(tǒng)結構圖

　　圖中FPGA采用ALTERA公司生產的APEX  1k系列芯片，型號為EP1K30，通過在EPGA中編寫硬件邏輯控制A/D轉換器的運行；實現(xiàn)A/D轉換器和USB 控制芯片間數(shù)據(jù)傳輸的數(shù)據(jù)總線接口。除此之外，為了保證EPGA和USB控制芯片間數(shù)據(jù)交互過程的實現(xiàn)，必須在FPGA中提供一個用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

2 A/D轉換環(huán)節(jié)

　　在該系統(tǒng)中我們采用TI公司的ADS7800。它是12位并行模數(shù)轉換器^[2>，接口簡單，很容易控制，最大采樣率可達333kHz，輸入的電壓范圍為－10V～＋10V或－5V～＋5V。ADS7800芯片的數(shù)字接口比較簡單，可以很方便地與其它數(shù)字系統(tǒng)相連接。對此芯片地控制有完全控制模式（full  control mode ）和孤立控制磨蝕（stand-alone  control mode ）兩種控制方法。

　　在本系統(tǒng)中，對ADS7800芯片的控制是通過在FPGA芯片中編寫控制邏輯來實現(xiàn)的。我們采用了孤立控制模式，在此控制模式下，輸出數(shù)字信號是12位并行的。

　　利用FPGA芯片的可編程性可以使用芯片中的12個IO腳作為數(shù)據(jù)總線，另使用一些IO腳作為ADS7800的控制信號輸入，控制模/數(shù)變換器以32kHz的速率對模擬輸入信號進行采樣，采樣的數(shù)據(jù)存入FPGA的RAM中。本系統(tǒng)中所使用的FPGA芯片型號為EP1K30QC208-3，它具有著良好的特性，芯片內部共有3萬個邏輯門，容量相當大；6個嵌入式陣列塊，可是現(xiàn)最大為3k字節(jié)的RAM存儲器。

  3 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

  3.1  USB接口芯片介紹

　　在設計中，我們選取Cyprees公司的EZ-USB系列芯片來實現(xiàn)USB接口設備方的控制。它是一款帶有多個外設、高度集成的芯片，其功能框圖如圖2所示。一個集成的USB收發(fā)器（transceiver）連接USB總線的D＋和D－。串行接口引擎（SIE）對總線上的數(shù)據(jù)進行編/解碼、錯誤檢測、位填充以及USB規(guī)范規(guī)定的其它信號級操作的實現(xiàn)，并且最終把數(shù)據(jù)收或發(fā)到USB接口部分。

            圖2  EZ-USB系統(tǒng)框圖

　　內部的微處理器是8051單片機的增強型，提高了執(zhí)行速度并增加了一些新的特性。它使用內部RAM作為程序和數(shù)據(jù)存儲器；帶有16位地址線和8位數(shù)據(jù)線用來訪問外部存儲器，特有的快速傳輸模式可以在外部邏輯和內部USB FIFO間快速地傳遞數(shù)據(jù)。

3.2  USB總線數(shù)據(jù)通信解決方案

　　在實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信解決方案時，為完成數(shù)據(jù)流地正常傳輸，所建立的硬件平臺必須能夠提供兩個接口。首先必須要有一個實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線接口；除此之外，為了保證數(shù)據(jù)交互過程的正常實現(xiàn)，必須提供一個用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

　　AN2135SC芯片提供了EZ-USB系列芯片的所有接口和功能。在本系統(tǒng)中，我們將利用這款芯片和FPGA芯片配合工作，建立一個基于USB總線接口的數(shù)據(jù)通信解決方案，以實現(xiàn)將采樣信號輸出到上位機中的功能。

　　在此解決方案中，我們選擇AN2135SC芯片工作在快速數(shù)據(jù)傳輸模式下的8位并行數(shù)據(jù)總線D[7…0>作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€接口；選擇AN2135SC芯片中的通用 C總線主控制器接口作為數(shù)據(jù)通信過程中進行控制和狀態(tài)信息傳輸?shù)腉PIO接口。這樣，芯片中的一般GPIO引腳就可以用來實現(xiàn)其它功能，方便了系統(tǒng)的進一步擴充。圖3所示為AN2135SC芯片與FPGA芯片的接口示意圖。

　　為了使AN2135SC芯片中快速數(shù)據(jù)傳輸模式下的數(shù)據(jù)總線D[7…0>和通用 主控制器分別完成流數(shù)據(jù)傳輸和控制狀態(tài)信息傳輸?shù)墓δ?，需要在芯片?051核中編寫程序，對AN2135SC芯片內部相關的專用寄存器進行配置^[3>。

                  圖3  AN2135SC與FPCA接口示意圖

3.3  FPGA的獨特配置方案

　　FPGA芯片是一種基于SRAM工藝制作的可編程器件，其編程數(shù)據(jù)存儲于器件的SRAM存儲器內。這是一種易失性的存儲器，在系統(tǒng)掉電時，F(xiàn)PGA芯片中的邏輯將會丟失，芯片功能隨即消失，上電后需要重新對其進行配置。利用此功能可以靈活地改變FPGA芯片中的邏輯結構。這是一種動態(tài)配置過程，這種方式稱為ICR方式（in circuit reconfigurable）。

　　本系統(tǒng)中對FPGA的配置采用PS（passive serial，即被動串行）方式。通常采用的是以下兩種配置方法：配置數(shù)據(jù)來自于ALTERA公司生產的串行配制器件或系統(tǒng)控制器，如 等，系統(tǒng)上電時可對ACEX1K系列芯片進行配置；配置邏輯也可以通過ALTERA公司生產的Master  Blaster、Byte Blaster  MV或Bitblaster下載電纜進行手工下載。但是前者會增加系統(tǒng)的成本，而后者又很不方便。

　　上面的程序給出了這一次讀過程中讀地址指針的變化情況。隨著讀地址指針的變化，緩沖器中的數(shù)據(jù)順次輸出到數(shù)據(jù)總線D[7…0>上去。程序中 …0>為緩沖器的讀地址指針， …0>是緩沖器的輸出端口， … 是 芯片的數(shù)據(jù)總線 … 。

3.5  功能的實現(xiàn)

在 芯片與 芯片進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，雙方需要一些握手信號來協(xié)調傳輸過程。為此，我們選擇了 芯片中的 總線主控制器作為 端口，用來傳輸一些必要的控制和狀態(tài)信息。

為了與 芯片中的 總線主控制器配合工作，我們在 芯片中編寫了一個 總線從模塊，使得 總線上的數(shù)據(jù)傳輸能夠順利進行。根據(jù) 總線傳輸規(guī)范，我們設定了一個狀態(tài)機 ，它共有如下7個狀態(tài)： 。圖6給出了此狀態(tài)機的狀態(tài)圖。

                         圖6 總線狀態(tài)機流程圖

　　由圖6可以看出，在開始條件（ 產生后， 由空閑（ 狀態(tài)進入地址狀態(tài)（ 。我們在 中指定了兩個寄存器用于存儲從 總線上發(fā)送來的控制信號和將要發(fā)送到 總線上的狀態(tài)信號，它們分別是控制寄存器 ‥0 和狀態(tài)寄存器 ‥0 ，這兩個寄存器地址的高4位均為“1110“。同樣，我們可以把1 芯片中所有由 總線尋址的寄存器的高4位地址都設定為“1110”。如圖6所示， 總線在地址期內發(fā)送的高位地址只有為“1110”時，1 才會產生響應。這樣做的好處是便于擴充其它 總線設備。

　　 總線在地址期內發(fā)送的最低地址用于指定隨后的數(shù)據(jù)傳輸是主要設備讀還是主設備寫，高電平表示主設備讀，低電平表示主設備寫。讀寫狀態(tài)轉換如圖6所示。因此，8位地址中可以用作尋址 端口的地址位為 ‥ 。

4  結束語

　　 本文介紹了數(shù)據(jù)通信解決方案中數(shù)據(jù)傳輸通道和 功能的實現(xiàn)。實驗證明，兩個模塊配合工作即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常傳輸,從而順利地將 轉換器的輸出信號經(jīng) 總線傳送到上位機去。這個解決方案基于 總線設計并且結合 來進行控制，充分利用了 總線數(shù)據(jù)傳輸速率高、 設備可熱插撥等功能和 速度快、效率高、配置靈活的特點。經(jīng)實踐證明，它是一個功能完備、高效穩(wěn)定的解決方案。