具有USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計
關(guān)鍵詞：USB2.0 FPFO FPGA 固件程序 主從系統(tǒng)
引言
數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及科學研究中的重要地位日益突出，并且實時高速數(shù)據(jù)采集的要求也不斷提高。在信號測量、圖像處理、音頻信號處理等一些高速、高精度的測量中，都需要進行高速數(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，這些采集卡存在很多缺點，比如安裝麻煩，價格昂貴，尤其是受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差。
通用串行總線USB是用來連接外圍設(shè)備與計算機之間的新式標準接口總線。它是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價的并可以實現(xiàn)熱拔插的串行接口。USB技術(shù)是為實現(xiàn)計算機和通信集成而提出的一種用于擴充PC體系結(jié)構(gòu)的工業(yè)標準?；赨SB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡，充分利用了USB總線的優(yōu)點，它也必將被越來越多的用戶所接受。
1 USB數(shù)據(jù)采集卡原理
1.1 USB簡介
USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它支持在主機與各式各樣即插即用的外設(shè)之間進行數(shù)據(jù)傳輸。它由主機預(yù)定傳輸數(shù)據(jù)的標準協(xié)議，在總線上的各種設(shè)備分享USB總線帶寬。當總線上的外設(shè)和主機在運行時，允許自由添加、設(shè)置、使用以及拆除一個或多個外設(shè)。USB總線技術(shù)的提出就是想利用單一的總線技術(shù)，來滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需要。USB1.1協(xié)議支持兩種傳輸速度，即低速1.5Mbps和高速12Mbps。為了在高速接口之爭中占有一席之地，2000年發(fā)布了USB2.0協(xié)議，它向下兼容USB1.1協(xié)議，數(shù)據(jù)的最高傳輸速率提高到480Mbps，這就使USB對打印機和其它需要快速傳遞大容量數(shù)據(jù)的外設(shè)更具吸引力。
為了滿足實際數(shù)據(jù)采集USB傳輸速度較高的需要，選擇了Cypress公司的內(nèi)置USB接口微控制器芯片EZUSB FX2系列，開發(fā)了具有USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡。
1.2 系統(tǒng)框圖
USB系統(tǒng)是一個主從系統(tǒng)，而非對等（peer-to-peer）系統(tǒng)。在主從系統(tǒng)中，命令是由主設(shè)備發(fā)出，而從設(shè)備只能接收命令，只有在主設(shè)備讀取數(shù)據(jù)時，從設(shè)備才能提交數(shù)據(jù)。如圖1所示，在USB控制器與外圍電路之間需要一個FIFO，來充當數(shù)據(jù)的緩存區(qū)。那么，在USB從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時存在一個問題：FIFO多大才能滿足要求。為了滿足數(shù)據(jù)采集中高速實時流數(shù)據(jù)垢應(yīng)用，避免FIFO溢出，在我們的系統(tǒng)中，通過FPGA及SDRAM構(gòu)造一個容量的FIFO（圖1虛線框內(nèi)所示），可以提供一個低成本并能滿足高速實時流數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案。
圖2
2 USB數(shù)據(jù)采集卡硬件
2.1 EZ-USB FX2（CY7C68013）芯片
Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是最早符合USB2.0協(xié)議的微控制器之一，它集成了符合USB2.0協(xié)議的收發(fā)器（transceiver），串行接口引擎（SIE），增強型的8051內(nèi)核以及可編程的外圍接口。FX2系列芯片獨特的結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達56Mbps，最大限度地滿足了USB2.0的帶寬。
EZ-USB FX2的微處理器是一個增強型的8051內(nèi)核，性能可達標準8051的5～10倍，并與標準8051的指令完全兼容。增強型的8051內(nèi)核使用RAM世馘 作程序指令和數(shù)據(jù)存儲器，從而使得EZ-USB FX2具有“軟”特性，也就是說，可以通過自行編寫程序指令來實現(xiàn)所需的功能。EZ-USB FZ2使用增強型SIE/USB接口（稱為USB核），通過執(zhí)行USB部本身的協(xié)議來簡化8051代碼編寫的工作。這樣采用硬件完成USB塄，簡化了固件代碼的編制。對于固件代碼的使用，主機通過軟件下載的方法實現(xiàn)。這種方法充分利用FZ2內(nèi)部的8KB RAM來裝載8051代碼和數(shù)據(jù)。由于EZ-USB FZ2具有重新枚舉的能力，所以在初始化枚舉時，用戶并不需要斷天設(shè)備就可以裝載新的描述符。設(shè)備描述符和8051程序代碼都能通過主機中的磁盤文件下載，只有制造商號、產(chǎn)品號和設(shè)備號從啟動時從一個16字節(jié)的EEPROM下載到硬件中的。通過這種方式，可以比較容易地從主機升級軟件和修改USB總線設(shè)備的固件代碼。
EZ-USB FX2的通用可編程接口GPIF以及Master/Slave端點FIFO所對應(yīng)的8/16位數(shù)據(jù)總線，可以很容易地實現(xiàn)FX2與當前一些主流通過接口（如ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和大部分DSP處理器）的互連。它共有7個端點，端點0，端點1和IN和OUT，還有端點2、4、6和8。其中，前3個端點的大小是固定的64字節(jié)，后4個端點默認大小是2級512字節(jié)的FIFO，端點2和端點4默認是OUT端點，端點6和端點8默認是IN端點，而端點2和6分別可以定義為2級、3級或4級的存儲器，每級的大小也可以是512字節(jié)或1024字節(jié)。從EZ-USB FX2方向來看，一個端點相當于通過總線收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，EZ-USB FX2從OUT緩沖區(qū)中讀取端點數(shù)據(jù)，將通過USB傳的端點數(shù)據(jù)寫入IN緩沖區(qū)。它求全責備速（12 Mbps）和高速（480 Mbps）傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸方式，即控制方式（control mode）、中斷傳輸方式（interrupt mode）、批量傳輸方式（bulk mode）和等時傳輸方式（isochronous mode）。
EZ-USB FX2系列是基于RAM的“軟”結(jié)構(gòu)，在開發(fā)過程中允許無限制設(shè)置和升級；它支持全速USB總線吞吐量的傳輸，使用EZ-USB FX2進行設(shè)計，可以不受端點數(shù)、緩沖區(qū)大小和傳輸速度的限制；此外，其內(nèi)核中做了大量的輔助指令，簡化了編碼，同時也加快了對USB特性的了解?；谝陨螮Z-USB FX2系列芯片的特性，在開發(fā)的過程中，采用了EZ-USB FX2系列中的CY7C68013芯片（128引腳），其簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示。
FX2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，GPIF沒有被激活，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）由FX2的引腳引出。外部控制可以是同步或異步，可以使用內(nèi)部時鐘，也可以向FX2的接口提供外部時鐘。
2.2 FPGA芯片EP1C6-Q240
在本設(shè)計中，所用的FPGA采用Altera公司最新的CYCLONE芯片EP1C6-Q240。它是一款高速價比的FPCA芯片，工作電壓為1.5V，采用0.13μm工藝技術(shù)，全銅SRAM工藝，其存儲器密度可達5980個邏輯單元，包含20個128×36位的RAM塊，總的RAM空間達到92160位，內(nèi)嵌了2個鎖相環(huán)電路和一個用于連接SDRAM的特定雙數(shù)據(jù)率（deficated data rate）接口。此外，該芯片還支持多種不同的I/O標準（包括PCI接口，可連接ASSP和ASIC設(shè)備的接口以及串行設(shè)備接口等）。
這里FPGA的作用除了與SDRAM構(gòu)成一個大容量的FIFO以外，還需要完成一些控制功能。對于本文的應(yīng)用，需要完成HDB3碼到NRZ碼的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換等。具體問題要具體分析，用戶可根據(jù)自己的需求對FPGA進行編程。
2.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1180
MAX1180是Maxim公司的雙通道105Msps、3.3V工作電壓、低功耗的高速A/D芯片，采樣數(shù)據(jù)10位電平量化。它是采用差分輸入，帶有寬帶跟蹤/保持（track-and-hold）的雙通道9級流水線型結(jié)構(gòu)的ADCs，如圖3所示。實際的芯片包括兩個圖示的電路，作為輸入的兩路通道，互不干擾。各路采樣信號每半個時鐘周期通過一個STAGE，完成連續(xù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)輸出共需5個時鐘周期。每個流水線首先通過一個1.5位的快閃ADC對輸入電碼量化，然后再由DAC產(chǎn)生一個對應(yīng)于量化結(jié)果的電壓并與輸入電壓作差，輸出電壓放大2倍后送到下一級流水線處理。A/D-D/A兩次變化以及差分處理的目的在于進行差錯校正，以保證在流水線上的各個階段，ADC的偏移量得到補償并且無代碼丟失。
2.4 硬件連接
根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蛯崟r性的要求，配置CY7C68013工作的接口模式為Slave FIFO模式。當進行數(shù)據(jù)采集時，硬件連接方式如圖4所示。
A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘同時作為CY7C68013的Slave FIFO模式的讀寫控制時鐘，即CY7C68013的接口時鐘連接到IFCLK引腳。SCWR/SLRD是CY7C68013 Slave FIFO的寫使能/讀允許信號。FPGA向C7C68013 Slave FIFO提供Slave FIFO輸出允許信號SLOE，僅在數(shù)據(jù)輸出時有效。FD[15:0]為16位雙向數(shù)據(jù)總線。FIFOADR1：0》為端點FIFO選擇信號。在數(shù)據(jù)輸入時固定為00，選擇的是端點2；在數(shù)據(jù)輸出時固定為10，選擇的是端點6。
3 USB數(shù)據(jù)采集卡軟件
軟件設(shè)計是一個USB設(shè)備開發(fā)的必備環(huán)節(jié)。USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計分為三部分：初始化軟件、主機操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動程序以及主機應(yīng)用程序。初始化軟件是下載到控制器中的固件代碼，它響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標準請求（包括USB設(shè)備的枚舉、驅(qū)動程序的選擇加載等），完成連接設(shè)備和主機的任務(wù)。主機應(yīng)用軟件通過客戶驅(qū)動程序與系統(tǒng)USBI（USB Device Interface）進行通信，其主要任務(wù)是將采集進來的數(shù)據(jù)流，根據(jù)所需處理功能的要求來完成各種基于Windows程序的處理。
3.1 EZ-USB FX2的初始化
通過固件程序的調(diào)度，主機才能得到設(shè)備的描述符以及完成端點數(shù)據(jù)的傳輸。對于固件程序的編程，其基本結(jié)構(gòu)如下：
①初始化，包括處理器和外圍電路的初始化；
②主函數(shù)，包括完成符合設(shè)備特定要求的代碼；
③中斷處理，包括處理各種中斷的程序代碼。
總的來說，固件程序的編寫有兩種方式。其一，對于熟悉8051匯編語言的用戶來說，可以直接利用匯編語言編寫結(jié)構(gòu)緊湊、高效率的固件代碼；其二，EZ-USB以利用現(xiàn)成的固件程序框架函數(shù)，根據(jù)設(shè)備的需求添加相慶的用戶，來完成特定的目的。
為了加快USB接口的開發(fā)過程，利用EZ-USB FX2提供的一些框架函數(shù)來簡化用戶代碼，使用相應(yīng)端口（端口2輸入，端口6輸出）利用EZ-USB FX2的Slave FIFO結(jié)構(gòu)采用此處理傳輸，基本的固件程序框架函數(shù)如下：
void TD_Init(void) //該函數(shù)用來完成EZ-USB FX2的初始化
{ CPUCS=0x10； //工作頻率48MHz
IFCONFIG=0xC3; //決定FX2的工作模式（slave FIFO）及相關(guān)設(shè)置
IN07VAL=bmEP2;
OUT07VAL=bmEP6;//使能端點2輸入和端點6輸出
…
EP2FIFOCFG=0x6D;//AUTOOUT=0,AUTOIN=1，WORDWIDE=1
SYNCODELAY；
EP6FIFOCFG=0x75;//AUTOOUT=1，AUTOIN=0，WORDWIDE=1
SYNCDELAY； //對端點2和端點6的配置，WORDWIDE=1配置的是使用16位數(shù)據(jù)線。
EP2CFG=0xEA; //端點2：輸入、批量傳輸、最大包字節(jié)為1024，雙緩沖
SYNCDELAY；
EP6CFG=0xAA; //端點6：輸出、批量傳輸、最大包字節(jié)為1024、雙緩沖
SYNCDELAY；
}
void TD_Poll(void) //此函數(shù)在設(shè)備運行時反復被調(diào)用，它包括完成用戶任務(wù)的函數(shù)
{
}
BOOL TD_Suspend(void) //該函數(shù)在設(shè)備進行掛起狀態(tài)前調(diào)用
{
return(TRUE);
}
BOOL TD_Resume(void)//設(shè)備重啟后調(diào)用
{
return(TRUE);
}
在整個固件程序中，EZ-USB FX2設(shè)備上電或復位后，首先對所有的內(nèi)部狀態(tài)變量初始化，隨后調(diào)用TD_Init()函數(shù)，并開中斷，此時固件程序不斷檢測控制端口0是否收到SETUP包。一旦收到，固件程序就開始調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll()，其中用戶需要完成的功能代碼就在TD_Poll()函數(shù)一。調(diào)用完成后，重復檢測端口0是否收到SETUP包，若有，繼續(xù)執(zhí)行設(shè)備請求，調(diào)用TD_Poll（）函數(shù)；否則，檢測USB核是否有USB掛起事件，若有，調(diào)用TD_Suspend()函數(shù)，其返為真時，檢測USB核是否有重新開始事件，沒有時，設(shè)備進入掛起狀態(tài)，反之，調(diào)用TD_Resume()，進行下一次循環(huán)；當TD_Suspend()函數(shù)返回為假時，直接轉(zhuǎn)入下次循環(huán)。
此外，固件程序框架中還定義了許多中斷處理函數(shù)，當用到時可以在相應(yīng)的九加入自己編寫的代碼，這樣既清晰又便于理解，用戶就可以在不用改變整個程序的前提下，僅僅通過改變相應(yīng)的模塊，來實現(xiàn)自己的功能。
3.2 主機軟件部分
主機軟件部分包括USB客戶驅(qū)動程序主和機應(yīng)用程序。USB客戶驅(qū)程序是支持即插即用功能的標準WDM驅(qū)動程序，它為實現(xiàn)控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸提供了標準接口函數(shù)。而主機應(yīng)用程序的作用在于與操作系統(tǒng)相互作用，當操作系統(tǒng)認為有新設(shè)備接入時，就會自動調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)支以。加之該軟件需要一個圖形用戶界面來控制所用的函數(shù)，這里采用VC++來編制應(yīng)用程序，利用CreateFile得到USB句柄，用DeviceIoControl來向設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送請求，完成在EZ-USB FX2中的數(shù)據(jù)批傳輸?shù)淖x取與寫入。程序?qū)嵗缦拢?/P>
HANDLE DeviceHandle；
DeviceHandle=CreateFile(.ezusb0，GENERIC_WRITE，
FILE_SHARE_WRITE，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL）；
//得到設(shè)備ezusb0的句柄
DeviceIoControl (DeviceHandle,
IOCTL_EZUSB_BULK_WRITE,
LPVOID lpInBuffer,//；輸入數(shù)據(jù)存儲地址指針
Sizeof(BULK_TRANSFER_CONTROL),
LPVOID lpOutBuffer,//輸出數(shù)據(jù)存儲地址指針
DWORD nOutBufferSize，//輸出緩存大小
LPDWORD lpBytesReturned,//接收輸出數(shù)據(jù)字節(jié)計數(shù)器變量的指針
NULL）；
//寫數(shù)據(jù)到EZ-USB FX2設(shè)備
DeviceIoControl(DeviceHandle,IOCTL_EZUSB_BULK_READ,
LPVOID lpInBuffer,//輸入數(shù)據(jù)存儲地址地
Sizeof(BULK_TRANSFER_CONTROL),
LPVOID lpOutBuffer,//輸出數(shù)據(jù)存儲地址批晚霞
DWORD nOutBufferSize,//輸出緩存大小
LPDWORD lpBytesReturned,//接收輸出數(shù)據(jù)字節(jié)計數(shù)器變量的指針
NULL）；
//從EZ-USBFX2設(shè)備中讀數(shù)據(jù)
ColseHandle(DeviceHandle); //關(guān)閉USB句柄
結(jié)語
本項目的目的是將信號處理電路中輸出的信號（I、Q兩路），通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，在滿足10Mbps傳輸速率的基礎(chǔ)上，通過USB接口完成數(shù)據(jù)寫入硬盤的工作。事實證明，基于USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集卡完全滿足設(shè)計要求?？梢灶A(yù)見，基于USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集卡一定會有廣闊的應(yīng)用空間。
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