基于USB通信的FPGA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：為了解決高速數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于USB通信的FPGA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。方案以FPGA為控制核心，實(shí)現(xiàn)A／D控制、數(shù)據(jù)緩存雙口RAM和控制CY7C68013A三個(gè)功能。系統(tǒng)采用Verilog HDL語(yǔ)言，通過(guò)ISE軟件編程控制多個(gè)AD7356同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集所得數(shù)據(jù)存入雙口RAM，控制CY7C68013A將數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線上傳到PC機(jī)。系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，在CY7C68013A設(shè)定為16.7Mb／s的傳輸速率下，系統(tǒng)工作正常。
關(guān)鍵詞：USB；FPGA；高速數(shù)據(jù)采集；CY7C68013A；雙口RAM

0 引言
    現(xiàn)代安全防衛(wèi)系統(tǒng)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位入侵行為具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的安全防衛(wèi)系統(tǒng)存在監(jiān)測(cè)距離較短、抗電磁干擾能力弱、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。分布式光纖振動(dòng)傳感器能測(cè)量整個(gè)光纖長(zhǎng)度上隨時(shí)間變化的振動(dòng)信息，具有檢測(cè)距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、安裝后易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已成為長(zhǎng)距離管道監(jiān)測(cè)和安全防衛(wèi)領(lǐng)域最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。
    本系統(tǒng)中需要對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行高速、高精度采集，然后將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。所以上位機(jī)(PC機(jī))和下位機(jī)(FPGA)如何高效、快速、方便地?cái)?shù)據(jù)傳輸是本系統(tǒng)中的重要問(wèn)題。目前常用的傳輸方法為RS 232串口通信方式，通信協(xié)議簡(jiǎn)單，在交互數(shù)據(jù)量不大，傳輸速度要求不高的情況下使用非常方便。但是其通常傳輸速率在幾十Kb／s，在高速實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)中無(wú)法達(dá)到要求。
    本文研究基于USB接口的上、下位機(jī)通信方法，來(lái)解決數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換問(wèn)題。通用串行總線(UniversalSerial Bus，USB)是計(jì)算機(jī)上的一種新型接口技術(shù)，它使得計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備的連接十分方便。USB接口已經(jīng)和串口、并口一樣，成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口。目前最新的USB 2．0接口的最高傳輸可以達(dá)到480 Mb／s，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的串、并口連接速度，可以滿足絕大多數(shù)情況的大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)交換的需求。除此之外，USB接口還支持插拔，極大地方便了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)調(diào)試和實(shí)際使用。

1 主要器件選擇
    本系統(tǒng)為分布式光纖振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有光電轉(zhuǎn)換、A／D轉(zhuǎn)換和USB通信。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，可以看出系統(tǒng)以FPGA為處理核心，包含光電轉(zhuǎn)換、A／D轉(zhuǎn)換和USB通信等外圍功能模塊。

    由于光纖微擾動(dòng)傳感器的傳感采用的是光纖，所以首先需要將信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換和A／D轉(zhuǎn)換，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。然后，在FPGA中進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，并對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行排序后通過(guò)USB總線將存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)中。
1．1 光電轉(zhuǎn)換和A／D轉(zhuǎn)換器件
    光電轉(zhuǎn)換部分采用的是PINFET，PIN管反偏高、輸出阻抗與FET的高輸入阻抗得到很好匹配，同時(shí)減少了外部干擾和雜散電容，大大降低了熱噪聲，這對(duì)低噪聲器件是非常有益的。比起目前較通用的PIN器件來(lái)說(shuō)，PINFET不需要復(fù)雜的后續(xù)電路，而且其模塊化設(shè)計(jì)，使輸出噪聲較小，輸出電壓較大，為后續(xù)A／D轉(zhuǎn)換器的采樣電壓提供較好的工作范圍。
    A／D轉(zhuǎn)換模塊采用的是12位雙通道差分輸入SAR型AD7356，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。AD7356為12位雙通道差分輸入SAR型AD。該AD為雙通道型，所以2路信號(hào)的轉(zhuǎn)換是同時(shí)進(jìn)行，減小了因轉(zhuǎn)換帶來(lái)的時(shí)間延遲。而且AD7356的采樣頻率由輸入時(shí)鐘信號(hào)決定，因此可以很方便的改變系統(tǒng)的采樣頻率，滿足系統(tǒng)1～5 MHz的采樣速率要求。另外該AD采用單2．5 V供電，可以與FPGA共用電源，使系統(tǒng)的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)潔。
1．2 FPGA
   作為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩存的FPGA，由于系統(tǒng)需要對(duì)16路信號(hào)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)緩存，所以FPGA的內(nèi)部存儲(chǔ)空間需要比較大。另外，系統(tǒng)由于下一步需要對(duì)于信號(hào)做初步處理以減輕PC的運(yùn)算量，提高處理的實(shí)時(shí)性，所以采用的是XC4VSX25。XC4VSX25的內(nèi)部塊RAM高達(dá)2 304 KB，分布式RAM高達(dá)160 KB，完全滿足系統(tǒng)需求。而且XC4VSX25中含有128個(gè)XtremeDSP Slice，而每個(gè)XtremeDSP Slice包含一個(gè)18×18位帶補(bǔ)數(shù)功能的有符號(hào)乘法器、加法器邏輯和一個(gè)48位累加器，每個(gè)乘法器或累加器都能獨(dú)立使用。XtremeDSP Slice可以通過(guò)IP核的形式方便的調(diào)用，在XC4VSX25中可以方便的將乘法器和累加器進(jìn)行組合，構(gòu)成所需要的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，為下一步信號(hào)處理提供了基礎(chǔ)。[!--empirenews.page--]
1．3 USB器件
    USB接口使用方便，連接簡(jiǎn)單，但是通信協(xié)議很復(fù)雜。因此，USB外設(shè)必須使用控制器芯片，管理數(shù)據(jù)通信USB控制器采用集成了8051單片機(jī)的CY7C68013A控制器芯片，該芯片遵從USB 2．0規(guī)范，有較快的傳輸速度，是目前比較通用的一種USB控制芯片。
     CY7C68013A是Cypress公司EZ-USB FX2LP系列芯片中比較經(jīng)典的一款USB控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，主要包括USB 2．0收發(fā)器、串行引擎(SIE)、增強(qiáng)型8051內(nèi)核、16 KB的RAM、4 KB的FIFO存儲(chǔ)器、I／O接口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口(GPIF)。

    EZ-USB FX2LP擁有非常獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其串行接口引擎(SIE)負(fù)責(zé)完成串行數(shù)據(jù)的解碼、差錯(cuò)控制、位填充等與USB有關(guān)的功能。串行接口引擎(SIE)能夠?qū)崿F(xiàn)大部分的功能，從而減輕了嵌入式增強(qiáng)型8051的負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化了USB固件程序的開(kāi)發(fā)。

2 系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 A／D轉(zhuǎn)換
    系統(tǒng)通過(guò)PINFET光電轉(zhuǎn)換為單端模擬信號(hào)，而A／D轉(zhuǎn)換器AD7356是差分輸入方式，所以需要對(duì)輸入方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。AD7356說(shuō)明書(shū)中給出了詳細(xì)的轉(zhuǎn)換電路，按說(shuō)明連接即可。由于AD7356供電電源為2．5 V，所以和FPGA之間的連接需要調(diào)整AD7356的信號(hào)電平，使得輸出電平與FPGA的3．3 V電平兼容。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)將AD7356的Vdriver引腳連接到3．3 V，這樣使得輸出信號(hào)電平為3．3 V。
    系統(tǒng)采用的AD7356采樣頻率由輸入時(shí)鐘信號(hào)決定，而采樣通過(guò)使能引腳CS控制。在設(shè)定好采樣頻率后，A／D轉(zhuǎn)換程序主要依靠對(duì)CS信號(hào)控制，并對(duì)輸入得兩路信號(hào)串并轉(zhuǎn)換即可。
2．2 數(shù)據(jù)緩存
    數(shù)據(jù)緩存主要是利用FPGA內(nèi)自帶的塊RAM對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行排序、存儲(chǔ)，然后按USB數(shù)據(jù)包大小打包傳輸，因此對(duì)于硬件(FPGA)不再多做介紹。
    數(shù)據(jù)緩存的軟件實(shí)現(xiàn)主要依靠FPGA內(nèi)的雙口RAM IP核。雙口RAM由于有2個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)輸入和輸出口，所以可以調(diào)節(jié)輸入輸出端口的速度，使得數(shù)據(jù)讀取與輸入速度可以方便的控制。另外，由于本系統(tǒng)有多路光信號(hào)，所以FPGA內(nèi)還需要對(duì)各個(gè)雙口RAM的讀取進(jìn)行控制，對(duì)各路信號(hào)讀取順序進(jìn)行，其軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。每路A／D都有兩個(gè)RAM輪流存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，一方面避免RAM出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出，保證數(shù)據(jù)不丟失；另一方面可以通過(guò)將RAM大小設(shè)定與USB數(shù)據(jù)包大小一致，使USB傳輸?shù)目刂坪?jiǎn)單。

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2．3 USB通信
    在系統(tǒng)中，USB控制器被配置為SlaVe FIFO模式，CY7C68013A Slave模式接口引腳的連接如圖4所示，這樣FPGA可以將USB控制器當(dāng)成FI-FO來(lái)控制，而不用考慮USB標(biāo)準(zhǔn)的各種規(guī)則。而USB控制器則將USB標(biāo)準(zhǔn)的各種規(guī)則通過(guò)許多特殊寄存器來(lái)設(shè)置，將USB控制簡(jiǎn)化。
    因此，此部分的軟件實(shí)現(xiàn)包括2個(gè)部分。從圖4可以看出，F(xiàn)PGA對(duì)各RAM輪流讀取數(shù)據(jù)，由于RAM大小與USB數(shù)據(jù)包大小設(shè)定一致，直接把數(shù)據(jù)送入CY7C68013A即可。而FPGA把CY7C68013A當(dāng)成FIFO來(lái)控制，所以該部分程序比較簡(jiǎn)單。而CY7C68013A內(nèi)程序設(shè)計(jì)主要是通過(guò)固件程序?qū)鬏斔俣?、傳輸方式、傳輸模式等進(jìn)行設(shè)置。

    固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備CPU中的程序，只有在該程序運(yùn)行時(shí)，外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備。系統(tǒng)把固件代碼固化到1片E2PROM中，外設(shè)加電后由FX2通過(guò)I2C總線下載到片內(nèi)RAM中自動(dòng)執(zhí)行。固件架構(gòu)是由Keil C51編譯器與其整合開(kāi)發(fā)工具所編寫(xiě)和構(gòu)建。其主要文件包括：fw．c負(fù)責(zé)設(shè)備連接、重枚舉、設(shè)備初始化；periph．c負(fù)責(zé)響應(yīng)各種中斷事件，是主要的用戶函數(shù)應(yīng)用代碼；gpif．c含有GP IF波形描述符表，可以實(shí)現(xiàn)波形的傳輸；dscr．a(chǎn)51文件定義USB設(shè)備握手時(shí)需要的各種描述符；fx2．h定義各種二級(jí)中斷向量和描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；fx2 regs．h定義USB單片機(jī)中所有的寄存器。
    USB支持4種傳輸類型：控制傳輸、中斷傳輸、等時(shí)傳輸、批量傳輸。批量傳輸可以是雙向的，也可以是單向的。它特別適合大數(shù)據(jù)量的傳輸，而且它對(duì)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性要求較高。因此，通過(guò)固件程序設(shè)定本系統(tǒng)采用Slave FIFO模式，批量(BULK)傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為了方便實(shí)驗(yàn)，使用耦合器將一路光信號(hào)分為16路相同的信號(hào)，這樣所有采集到的信號(hào)波形基本相同。實(shí)驗(yàn)時(shí)，AD7356設(shè)定為1 MHz采樣速率，USB數(shù)據(jù)包大小為512 Kb，CY7C68013A采用異步SlaveFIFO模式發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)采用Cypress公司自帶的EZ-USB Interface軟件采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采集到的信號(hào)如圖5所示，系統(tǒng)在16．7 Mb／s的傳輸速率下工作正常。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文采用目前使用最為廣泛的EZ-USB FX2LP芯片，給出了基于USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)充分表現(xiàn)了USB接口傳輸數(shù)據(jù)量大，傳輸速度快的特點(diǎn)，非常的適合大批量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸場(chǎng)合，尤其適合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和主機(jī)的通信，能夠?qū)崟r(shí)的處理采集到的數(shù)據(jù)。這克服了以往數(shù)據(jù)采集速度慢，采集數(shù)量少，接口復(fù)雜等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的高速率、多通道。系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，在CY7C68013A設(shè)定為16．7 Mb／s的傳輸速率下，系統(tǒng)工作正常。