基于CYUSB3014的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

0 引言

　　目前USB已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，現(xiàn)階段使用較多的是USB2.0 規(guī)范。隨著測(cè)試測(cè)量要求的不斷提高，USB2.0已逐漸難以滿足要求。新的USB3.0 規(guī)范很好的解決了USB2.0中存在的一些局限，非常適用于現(xiàn)代測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。

　　1 USB2.0的性能與局限

　　通用串行總線USB（Universal Serial Bus）是目前應(yīng)用極為廣泛的一種系統(tǒng)總線，大量應(yīng)用在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域。目前應(yīng)用最廣泛的是USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，具有最高480Mbps的通信速率。但同時(shí)USB2.0標(biāo)準(zhǔn)也存在著以下不足：

　　1） 半雙工通信

　　USB2.0采用半雙工通信，同一時(shí)間只能有一個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸，在需要雙向高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合往往難以滿足要求。

　　2） 需要主機(jī)調(diào)度

　　USB2.0標(biāo)準(zhǔn)在傳輸調(diào)度上采用主從結(jié)構(gòu)，需要計(jì)算機(jī)首先發(fā)起IN Token 或OUT Token，USB設(shè)備才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一次數(shù)據(jù)傳輸完成后，又必須等待下一個(gè)Token，大大制約了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

　　3） 通信速率相比于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不高

　　USB的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有1394和eSATA等，較新的1394b標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到了800Mbps，幾乎比USB2.0 HS高一倍。而eSATA的數(shù)據(jù)傳輸速度更高。

　　2 USB3.0SS（SuperSpeed）標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

　　為了加強(qiáng)USB 的性能和競(jìng)爭(zhēng)力，USB聯(lián)盟推出了新的USB 3.0SS（SuperSpeed）標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)使用兩條差分鏈路實(shí)現(xiàn)了全雙工通訊，速率達(dá)到了5.0Gps，不但高于1394b標(biāo)準(zhǔn)，與eSATA相比也同樣具有競(jìng)爭(zhēng)力。

　　USB3.0在2.0的基礎(chǔ)上新增加了2對(duì)差分鏈路，專門用于傳送SS差分信號(hào)。主機(jī)側(cè)接口的機(jī)械特性和USB2.0 兼容，而設(shè)備側(cè)使用了新的接口形式，以容納新增的兩對(duì)差分信號(hào)線。USB2.0接口的B型連接器可以插入U(xiǎn)SB3.0 的設(shè)備端，此時(shí)設(shè)備工作于USB2.0 模式下;但USB3.0 的B型連接器無法插入USB2.0的設(shè)備端。

　　除此以外，USB3.0 的總線供電能力達(dá)到1A，使其可以用于移動(dòng)硬盤等耗電量較大的設(shè)備，而不必另外配備外接電源。

　　3 CYUSB3014芯片介紹

　　CYUSB3014 是USB 業(yè)界的領(lǐng)頭羊Cypress 公司出品的USB3.0 控制器，該款控制器集成了200MHz 的ARM9 控制器?512K字節(jié)的RAM和USB 3.0物理層，具有可編程的100MHz GPIF II接口。

　　圖1是該芯片的邏輯框圖。該芯片可用于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)?數(shù)據(jù)采集?測(cè)試測(cè)量設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中，使用了一片AD6644作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。這是AnalogDevice公司生產(chǎn)的14 位高速ADC，最高采樣速率達(dá)到40Msps。

　　整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖如圖2所示。[!--empirenews.page--]

　　圖中，傳感器將外部信號(hào)變換為電信號(hào);放大濾波部分將傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大?濾波處理，以去除外部干擾;AD6644在FPGA的控制下對(duì)放大濾波后的信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換;FPGA讀取AD輸出，并按照CYUSB3014的GPIF II接口規(guī)范將該數(shù)據(jù)寫入芯片內(nèi)部的FIFO。此外，F(xiàn)PGA 還可以根據(jù)當(dāng)前信號(hào)特性調(diào)整放大濾波電路參數(shù)，以獲取更優(yōu)的信噪比。

　　5 GPIF II接口與FPGA程序設(shè)計(jì)

　　在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA與CYUSB3014之間的數(shù)據(jù)傳輸速度是決定整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。Cypress 在GPIF 的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì) 了可編程GPIF-II接口，該接口可工作于主控或從屬方式，支持32位數(shù)據(jù)總線，接口頻率最高可達(dá)100MHz，有異步和同步兩種時(shí)序。在本系統(tǒng)中，為了達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳送效率，根據(jù)GPIF-II接口時(shí)序，編寫了相應(yīng)的FPGA程序，實(shí)現(xiàn)了在FPGA和CYUSB3014之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，F(xiàn)PGA 和CYUSB3014 之間的數(shù)據(jù)傳輸速度最高達(dá)到了200Mbytes/s，完全滿足本系統(tǒng)要求。下文是數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機(jī)的部分代碼：

　　6 USB固件設(shè)計(jì)

　　CYUSB3014集成了一片ARM9核心的處理器，完成USB初始化?枚舉?數(shù)據(jù)傳輸管理等工作。固件開發(fā)使用開源的gcc編譯器和Eclipse集成開發(fā)環(huán)境，下面是用于管理數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟糠执a：

　　7 上位機(jī)驅(qū)動(dòng)和軟件設(shè)計(jì)

　　Cypress提供了基于WDF的驅(qū)動(dòng)程序模塊，WDF（WindowsDriver Foundation）是microsoft推行的驅(qū)動(dòng)開發(fā)框架，用來替代之前的WDM框架。WDF框架對(duì)WDM進(jìn)行了封裝和繼承，與WDM相比，WDF框架的驅(qū)動(dòng)開發(fā)更簡(jiǎn)單方便，尤其是簡(jiǎn)化了電源管理和PNP（Plug and play）方面的工作量。根據(jù)該系統(tǒng)的實(shí)際需要，對(duì)驅(qū)動(dòng)代碼進(jìn)行了修改并編寫了應(yīng)用程序，能夠穩(wěn)定可靠地采集數(shù)據(jù)，表明該系統(tǒng)滿足了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

　　8 系統(tǒng)的后續(xù)改進(jìn)

　　在測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)中，很多應(yīng)用需要系統(tǒng)能夠產(chǎn)生預(yù)定義的波形，下一步將為該系統(tǒng)添加任意波形發(fā)生器功能，進(jìn)一步完善該系統(tǒng)的功能。

　　9 結(jié)語

　　實(shí)踐證明，USB 3.0在USB 2.0的基礎(chǔ)上大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)時(shí)性也有很好的增強(qiáng)，能夠滿足高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的要求，在數(shù)據(jù)采集和測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域必將大顯身手。