基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：基于FPGA和USB2．0的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了一種高速化和集成化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以Altera公司的FPGA芯片EP2C5T144為主控芯片，以Cypress公司的EZ-USB FX2芯片為傳輸手段設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。首先詳細(xì)介紹了整體系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和硬件接口電路，其次，在硬件平臺(tái)完成的基礎(chǔ)上采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)完成了FPGA控制接口電路的代碼，并設(shè)計(jì)完成了USB2．0的固件程序。最終通過(guò)軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)完成了系統(tǒng)測(cè)試，該測(cè)試結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)功能正確，能夠完成一般情況下數(shù)據(jù)采集的任務(wù)需求。
關(guān)鍵詞：FPGA；USB2．0；數(shù)據(jù)采集；CY7C68013A；ModelSim

    隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用需求也呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，因此，嵌入式技術(shù)也相應(yīng)地取得了重要的進(jìn)展，系統(tǒng)設(shè)備不斷向高速化、集成化、低功耗的方向發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，到目前已成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的主流平臺(tái)之一。  FPGA具有單片機(jī)和DSP無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于單片機(jī)和DSP工作需要依靠其上運(yùn)行的軟件進(jìn)行，F(xiàn)PGA全部的控制邏輯是由延時(shí)更小的硬件來(lái)完成的。
    通用串行總線(USB)是現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)，是解決計(jì)算機(jī)與外設(shè)連接瓶頸的有效手段，USB2．O版本在原先的版本基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)許多技術(shù)上的飛躍與進(jìn)步。USB2．0協(xié)議規(guī)范有以下主要優(yōu)點(diǎn)：1)速度快，接口的傳輸速度高達(dá)480Mh／s，遠(yuǎn)大于PCI接口的132 Mb／s的傳輸速度；2)連接簡(jiǎn)單，所有的USB外設(shè)利用通用的電纜可簡(jiǎn)單方便地連入PC機(jī)中，安裝過(guò)程高度自動(dòng)化；3)支持多設(shè)備連接，USB接口支持多個(gè)不同設(shè)備采用“級(jí)聯(lián)”方式來(lái)連接外設(shè)。
    故為了將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加符合高速化和集成化的趨勢(shì)，采用了FPGA和USB2．0組合的方案來(lái)進(jìn)行。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框架與硬件設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分中，在完成系統(tǒng)時(shí)鐘源、電源等必要電路的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)就是完成系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件的接口電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)這部分的設(shè)計(jì)，基本的硬件平臺(tái)就建立起來(lái)了。系統(tǒng)部件間的硬件電路接口設(shè)計(jì)如圖1所示。

    A／D芯片在此選用了德州儀器公司的10位串行接口芯片TLV1572，8管腳的SOIC封裝，它外部較少的管腳不僅能夠很方便地實(shí)現(xiàn)與其他器件連接，而且它體積小，可以節(jié)省很多布線資源，如圖2所示。TLV1572的最高采樣速率為1．25 MS／s，其積分非線性誤差I(lǐng)NL<±1LSB，可以采用3 V或5 V的供電方式。

    由于大部分USB1．1的芯片都需要微控制器參與數(shù)據(jù)從端點(diǎn)FIFO到應(yīng)用環(huán)境的轉(zhuǎn)移，微控制器在里面扮演了搬運(yùn)者的角色，那么顯然微控制器本身的工作頻率就極大地限制了數(shù)據(jù)傳輸帶寬的進(jìn)一步提高，微控制器將成為制約整個(gè)系統(tǒng)速度提高的瓶頸。
    故在此選用的是Cypress Semiconductor公司的EZ-USBFX2(CY7C68013A)USB2．0芯片，它集成了USB2．0收發(fā)器，串行接口引擎SIE和可編程的外圍接口。該芯片的另一大優(yōu)點(diǎn)就是提供了一種獨(dú)特架構(gòu)，使USB接口和應(yīng)用環(huán)境直接共享Slave FIFOs，微控制器無(wú)需參與數(shù)據(jù)傳輸，這樣就極大地提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率，如圖3所示。

    由于FPGA的I／O管腳數(shù)目眾多，它在和A／D芯片及USB2．0芯片相連時(shí)，能夠按照優(yōu)化布線資源的方式進(jìn)行PCB布局設(shè)計(jì)，具體的連接方法在圖1中已經(jīng)給出。[!--empirenews.page--]

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案
    FPGA軟件設(shè)計(jì)方案中采用了自頂向下的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用Verilog HDL語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，分別完成數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模塊間的連接示意圖如圖4所示。

    由圖4可見(jiàn)，系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊組成。它們分別是A／D接口adc．v模塊、USB接口usb．v模塊以及頂層top．v模塊，其中在頂層top．v模塊中，完成了對(duì)其他兩個(gè)模塊的調(diào)用，使它們拼接成為一個(gè)完整的系統(tǒng)。其中鎖相環(huán)PLL_1和PLL_2分別給ade．v模塊和usb．v模塊提供時(shí)鐘源。
2．1 FPGA控制A／D芯片接口的軟件設(shè)計(jì)
    在adc．v模塊中，需要完成FPGA對(duì)TLV1572的接口邏輯代碼的設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)就是在TLV1572的時(shí)序分析的基礎(chǔ)上來(lái)設(shè)計(jì)邏輯代碼，使得FPGA能夠按照其時(shí)序要求完成對(duì)A／D芯片的各種控制，包括提供給TLV1572的串行時(shí)鐘信號(hào)信號(hào)ADC_CLK、CS片選信號(hào)ADC_CSn以及從TLV1572中讀取出轉(zhuǎn)換完成的串行數(shù)據(jù)S_DATA。
    TLV1572的時(shí)序圖如圖5所示。

    從時(shí)序圖可見(jiàn)，A／D芯片的轉(zhuǎn)化過(guò)程是在當(dāng)CS為低電平后，由SCLK的上升沿發(fā)起的，輸出的頭六位二進(jìn)制數(shù)字均為“0”，此時(shí)A／D芯片正處于采樣階段，數(shù)字無(wú)效，這六位無(wú)效的二進(jìn)制數(shù)之后，A／D轉(zhuǎn)換完成后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿被送到總線上，這時(shí)，作為系統(tǒng)主控制芯片的FPGA應(yīng)當(dāng)去采樣總線上的數(shù)據(jù)，得到轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。
2．2 FPGA控制USB2．0芯片的軟件設(shè)計(jì)
    在usb．v模塊中，需要完成FPGA對(duì)CY7C68013A的接口邏輯代碼的設(shè)計(jì)和異步FIFO模塊的設(shè)計(jì)。其中，對(duì)CY7C68013A的接口邏輯代碼主要是完成對(duì)CY7C68013A芯片的端點(diǎn)FIFO的各種控制，包括16位的數(shù)據(jù)信號(hào)FIFO_DATA[15：0]、2位端點(diǎn)FIFO選擇信號(hào)FIFO_ADDR[1：0]、端點(diǎn)FI-FO滿標(biāo)志位信號(hào)FIFO_Full、端點(diǎn)FIFO寫(xiě)使能信號(hào)FIFO_WR_en。因?yàn)閍dc．v模塊和芯片外部的CY7C68013A工作在不同的時(shí)鐘域內(nèi)，故異步FIFO模塊設(shè)計(jì)部分設(shè)計(jì)的目的除了是要完成從ade．v模塊讀取過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)的緩沖，另外就是需要解決異步時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸可能出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。
    具體來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA在工作時(shí)需要不斷向CY7C68013A的端點(diǎn)FIFO寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而FPGA與CY7C68013A之間的工作模式屬于同步方式，兩者都由PLL _2模塊提供40 MHz的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行工作，那么它們之間的關(guān)系就是同步Slave FIFO的寫(xiě)操作，由FPGA向CYTC68013A中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。
    在Verilog HDL程序設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)完成同步Slave FIFO寫(xiě)的時(shí)序，寫(xiě)時(shí)序如下；1)IDLE：當(dāng)寫(xiě)事件發(fā)生時(shí)，進(jìn)狀態(tài)1；2)狀態(tài)1：使FIFOADR[1：0]指向IN FIFO，進(jìn)狀態(tài)2；3)狀態(tài)2：如果端點(diǎn)FIFO滿，在當(dāng)前狀態(tài)等待，否則進(jìn)狀態(tài)3；4)狀態(tài)3：驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，使SLWR有效，持續(xù)一個(gè)IFCLK周期，進(jìn)狀態(tài)4；5)狀態(tài)4：如需傳輸更多的數(shù)，進(jìn)狀態(tài)2，否則進(jìn)入IDLE狀態(tài)。
    該狀態(tài)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)圖如圖6所示。

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2．3 FPGA的頂層模塊的設(shè)計(jì)
    由圖4可知，top．v模塊是FPGA整個(gè)系統(tǒng)的頂層模塊，它通過(guò)頂層調(diào)用的方式把a(bǔ)dc．v和usb．v兩個(gè)模塊組合成一個(gè)完整的系統(tǒng)，系統(tǒng)與外界進(jìn)行通信是通過(guò)top．v這個(gè)模塊對(duì)外的各個(gè)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體到器件層面，就表現(xiàn)為由top．v文件定義的FPGA的相關(guān)的管腳來(lái)和A／D與USB2．0芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換、控制信息以及時(shí)鐘信號(hào)的傳遞。這種自頂向下的設(shè)計(jì)方法，不僅符合人的思維邏輯，也大大地簡(jiǎn)化了大規(guī)模邏輯電路的設(shè)計(jì)工作，使人們從繁瑣的自底向上的底層設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，以一種系統(tǒng)級(jí)的思維模式設(shè)計(jì)電路。這是自頂向下設(shè)計(jì)方法的巨大優(yōu)勢(shì)之一。頂層top．v模塊是通過(guò)例化的方式來(lái)調(diào)用adc．v模塊和usb．v模塊的以及PLL模塊。
2．4 USB2．0芯片的固件程序設(shè)計(jì)
    在USB的體系中，無(wú)論是其本身的規(guī)范還是各種廠家所提供的芯片資料，關(guān)于主機(jī)對(duì)USB的檢測(cè)都稱(chēng)之為枚舉Enumeration(and ReNumer-ation)，即枚舉(與重新枚舉)。固件在這發(fā)揮了無(wú)法替代的作用。應(yīng)該說(shuō)所有基于微控制器及其外圍電路的功能設(shè)備的正常工作都離不開(kāi)固件的參與，固件的作用就是輔助硬件，或者說(shuō)是控制硬件來(lái)完成預(yù)期的設(shè)備功能。沒(méi)有固件的參與和控制，硬件設(shè)備只是芯片的簡(jiǎn)單堆砌，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。
    CY7C68013A內(nèi)部集成了增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，它與8051指令集二進(jìn)制是兼容的，那么就可以選擇匯編或者高級(jí)語(yǔ)言C51來(lái)編寫(xiě)固件代碼，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用的環(huán)境也不同。本設(shè)計(jì)中采用C51來(lái)編寫(xiě)固件程序，關(guān)于開(kāi)發(fā)C51語(yǔ)言的Keil μVision 2開(kāi)發(fā)編譯環(huán)境在此不再贅述。
    Cypress公司為了簡(jiǎn)化和加速用戶使用CY7C68013A芯片進(jìn)行USB外設(shè)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的固件程序的框架。這個(gè)框架可以執(zhí)行CY7C68013A芯片的初始化、USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求的處理和USB掛起電源管理服務(wù)。用戶只需要提供一個(gè)USB描述符表，添加其他端點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信代碼，以及控制外圍電路的程序代碼。
    在Keil μVision 2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，新建工程后，需要將工程代碼復(fù)制到工程目錄中并添加至工程列表中，開(kāi)發(fā)固件程序需要幾個(gè)重要的文件依次為：1)fw．c，框架程序的代碼。2)periph．c，用戶函數(shù)掛鉤的相關(guān)定義，外圍設(shè)備的控制文件。在上節(jié)中，主程序fw．c調(diào)用的TD_lnit()函數(shù)即在此定義出來(lái)。3)dscr．a(chǎn)51，USB描述符表，上節(jié)中關(guān)于描述符的定義在這個(gè)文件中給出。4)EZUSB．lib，EZ-USB函數(shù)庫(kù)目標(biāo)代碼。5)USBJmpTb.OBJ，EZ-USB中斷向量和跳轉(zhuǎn)表。6)FX2．h，程序運(yùn)行所需要的一些宏定義。7)fx2regs．h，CY7C68013A相關(guān)的寄存器定義及位屏蔽的宏定義。8)syncdly．h，定義了若干延時(shí)函數(shù)供程序調(diào)用。

3 Modelsim環(huán)境下仿真與結(jié)果
    ModelSim是Model Technology(Mentor Graphics的子公司)的HDL硬件描述語(yǔ)言的仿真軟件，該軟件可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的VBDL、Verilog HDL或是兩種語(yǔ)言混合的程序進(jìn)行仿真，同時(shí)也支持IEEE常見(jiàn)的各種硬件描述語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。
    目前需要對(duì)adc．v模塊進(jìn)行功能仿真，以此驗(yàn)證該模塊的功能的正確性。仿真測(cè)試的方法就是給adc．v這個(gè)模塊的s_data數(shù)據(jù)輸入端，即A／D芯片的串行數(shù)據(jù)的輸出端，加載一組測(cè)試數(shù)據(jù)，每16個(gè)為一組測(cè)試數(shù)據(jù)，模擬在真實(shí)環(huán)境下從A／D芯片讀取出來(lái)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后在adc．v模塊的輸出端，即并行的16位寬的data_out端口觀察是否與給定的測(cè)試數(shù)據(jù)相一致。假如一致，則模塊的功能是正確的。假如有個(gè)別位的數(shù)據(jù)不一致，則需要檢查模塊的代碼是否存在問(wèn)題。在編輯器中編寫(xiě)Testbench程序如下(非關(guān)鍵的程序限于篇幅，就省略了)：
    
    

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    由上面的程序可以看見(jiàn)，給s_data端加載的一組16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)為“0000-0011_0110_1011”。在ModelSim環(huán)境下，將待測(cè)試的文件與該測(cè)試文件放在同一個(gè)工程下，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后運(yùn)行仿真可以得到如下仿真波形，如圖7所示。

    由圖7可見(jiàn)，從data_out這個(gè)并行的數(shù)據(jù)端口讀出的數(shù)據(jù)正是在Testbench仿真測(cè)試文件中給定的那一組測(cè)試數(shù)據(jù)，仿真得到的結(jié)果是正確的。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)
    在FPGA控制A／D芯片接口的軟件設(shè)計(jì)中，是通過(guò)FPGA內(nèi)部的邏輯電路實(shí)現(xiàn)了分頻，并將分頻后的信號(hào)作為A／D芯片工作的采樣時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)測(cè)試，得知A／D芯片的采樣頻率為1．08 MHz，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器，將輸入的模擬信號(hào)設(shè)為10 kHz、幅度為3 V的正弦波，采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中，顯示的波形如圖8所示。

    在同等條件下，把輸入的模擬信號(hào)的頻率調(diào)整為5 kHz。A／D芯片的采樣頻率仍然為1．08 MHz。得到的顯示波形如圖9所示。

    由圖8和圖9可知，在對(duì)模擬信號(hào)采樣時(shí)，當(dāng)采樣率不變時(shí)，輸入模擬信號(hào)的頻率越低，相對(duì)地就提高了采樣點(diǎn)、減小了采樣間隔，在圖形中就越能體現(xiàn)出原始模擬信號(hào)的信息，得到的波形就更加的理想。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文在研究了FPGA和USB2．0技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，以FPGA和USB2．0為技術(shù)核心，設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件代碼并在ModelSim環(huán)境下通過(guò)了仿真測(cè)試。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)一般用途的數(shù)據(jù)采集，還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高速化、集成化和低功耗工作，為便攜化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種設(shè)計(jì)思路。