利用USB2.0技術(shù)的高速雙路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于USB2.0芯片CY7C68013和Maxim公司的高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX1195的高速雙路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用EZ-USB FX2 的特有的GPIF(General Programmable Interface)傳輸方式，徹底打破了8051CPU對USB2.0傳輸速率的瓶頸，同時(shí)避免了使用其他微處理器或者CPLD、FPGA等的硬件開支。本文詳細(xì)介紹了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)CY7C68013的固件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)主機(jī)用戶程序。通過與高精度激光縱模分析儀的連接調(diào)試，證明該系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了既定目標(biāo)。
　　1．引言

　　近年來，USB接口由于其傳輸速率高，真正的即插即用等優(yōu)點(diǎn)正在逐漸取代傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口如：RS232，EPP等。目前，許多的芯片生產(chǎn)商都推出了符合USB協(xié)議的芯片，如Philips公司的PDIUSBD12，NS公司的USBN9602等。在眾多的USB2.0芯片中，Cypress公司的EZ-USB FX2(CY7C68013)芯片是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。本文設(shè)計(jì)了一種基于EZ-USB FX2和MAX1195的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合USB2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過與高精度激光縱模分析儀連接進(jìn)行調(diào)試，證明該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定目的。

　　2. CY7C68013芯片和MAX1195芯片介紹

　　2.1 CY7C68013介紹：

　　CY7C68013在一塊芯片上同時(shí)集成了USB2.0收發(fā)器，串行接口引擎SIE，增強(qiáng)型的8051微控制器以及一個(gè)可編程外圍接口GPIF(General Programmable Interface)。CY7C68013的“量子FIFO”(FIFO，先進(jìn)先出存儲器)特性使得無需8051CPU的任何干預(yù)，數(shù)據(jù)即可從外設(shè)上傳到主機(jī)，這種數(shù)據(jù)傳輸模式徹底解決了USB2.0收發(fā)器與一般8051微控制器連接時(shí)由于8051的時(shí)鐘頻率低而導(dǎo)致的傳輸速率瓶頸問題。CY7C68013芯片的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是其“‘軟’配置”，代碼和數(shù)據(jù)能夠直接通過USB接口下載到片內(nèi)的RAM上，這一功能通過Cypress公司獨(dú)創(chuàng)的“重枚舉”(ReNumerationTM)功能實(shí)現(xiàn)。CY7C68013芯片有四個(gè)可編程的批量、中斷、同步傳輸端點(diǎn)，可以分別設(shè)置為雙緩沖，三緩沖和四緩沖模式，8位或者16位的外部數(shù)據(jù)接口，該接口可以根據(jù)需要工作在 GPIF或者SLAVEFIFO模式。其中GPIF能夠和絕大部分并行接口如FIFO等實(shí)現(xiàn)“無膠”連接，即無需外加任何微控制器或CPLD、FPGA 等。本文的設(shè)計(jì)中采用了GPIF方式。

　　2.2 MAX1195介紹：

　　MAX1195是由MAXIM公司推出的一款低功耗、雙路、高速、八位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用流水線(Pipeline)結(jié)構(gòu)，最高采樣率40Mbps，內(nèi)部集成了兩個(gè) ADC，真正實(shí)現(xiàn)兩路同步采樣轉(zhuǎn)換。其工作電壓范圍是2.7V-3.6V，具有減小功耗的休眠模式和關(guān)斷(Shut-Down)模式，單端或者差分輸入方式，片上采樣保持(T/H)電路，內(nèi)部或者外部參考電壓，含有用戶可選擇的數(shù)據(jù)輸出格式：二的補(bǔ)碼格式或者補(bǔ)償二進(jìn)制碼格式，具有輸出使能控制，可以將輸出置為高阻態(tài)。此外MAXIM還提供了與MAX1195引腳、封裝完全兼容的10位、更高采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，如MAX1197、MAX1198等，因此系統(tǒng)升級非常方便。在本文的工作中，采用了內(nèi)部參考電壓、雙路單端模擬輸入、補(bǔ)償二進(jìn)制碼輸出格式。

　　3．系統(tǒng)整體構(gòu)成及其工作原理介紹：

　　3.1系統(tǒng)構(gòu)成：

　　系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要包括USB傳輸芯片CY7C68013,先進(jìn)先出存儲器(FIFO)SN74V235和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX1195組成。反相器74LVC04主要起MAX1195和FIFO之間的邏輯控制作用。

　　圖1 系統(tǒng)整體框圖

　　3.2系統(tǒng)工作原理：

　　MAX1195的兩路輸入信號是同時(shí)被采樣的，十六位的數(shù)據(jù)輸出總線使兩路數(shù)據(jù)可以同時(shí)輸出，分別占八位，即：D0A~D7A和D0B~D7B；SN74V235輸入為18位，根據(jù)CMOS技術(shù)的要求，將未使用的D16和D17引腳接地。MAX1195采集到的數(shù)據(jù)首先送進(jìn)FIFO里， FIFO的寫時(shí)鐘(WCLK)和AD的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘反相，這樣可以充分滿足MAX1195輸出數(shù)據(jù)的建立時(shí)間，避免發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)重復(fù)寫入現(xiàn)象。 SN74V235的 (Programmable Almost Full)可編程幾乎滿信號經(jīng)74LVC04反相后接MAX1195的Sleep和 引腳，以免FIFO發(fā)生溢出而丟失數(shù)據(jù)。SN74V235的數(shù)據(jù)輸出引腳Q0~Q15與CY7C68013的GPIF模式下的數(shù)據(jù)線FD[15:0]即端口B和端口D組成的十六位數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)SN74V235到EZ-USB FX2的時(shí)序過程由CY7C68013的GPIF 控制。FX2采用了“量子FIFO”結(jié)構(gòu)，在FX2里面，數(shù)據(jù)可以分為兩個(gè)域：USB域和GPIF接口域。這兩個(gè)域是獨(dú)立的，允許分別使用不同的時(shí)鐘和邏輯控制數(shù)據(jù)的傳輸，USB域是由SIE控制的，SIE通過USB口接收或者發(fā)送端點(diǎn)FIFO的數(shù)據(jù)。FX2的“量子FIFO”能夠幾乎不花時(shí)間在這兩個(gè)數(shù)據(jù)域中的轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@兩個(gè)域用的FIFO在物理上是同一個(gè)。所以根據(jù)“量子FIFO”原理，實(shí)際上數(shù)據(jù)已經(jīng)存在于屬于USB域的端點(diǎn)FIFO里面了，采用USB的BULK傳輸方式，使該數(shù)據(jù)完全不經(jīng)過低頻CPU干預(yù)，而是采用FX2提供的AutoIn模式，即一旦FX2端點(diǎn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)達(dá)到指定字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)將自動被打包從USB口上傳到主機(jī)。

　　3.3 GPIF波形及程序介紹：

　　GPIF是FX2的端點(diǎn)FIFO的片內(nèi)控制器，可以完全代替片外的控制器而實(shí)現(xiàn)FX2與外圍FIFO的“無膠”連接。GPIF的核心是一個(gè)可編程狀態(tài)機(jī)，可以產(chǎn)生六個(gè)“控制”(CTL)和九個(gè)“地址”(GPIFADR[8:0])信號，可以接收六個(gè)外部(RDY)“準(zhǔn)備好”輸入，八位或者十六位數(shù)據(jù)總線，時(shí)鐘可以用FX2的IFCLK，也可以由外圍提供。本文GPIF接口的詳細(xì)硬件連接如圖2所示。

　　圖2 GPIF與SN74V235詳細(xì)連接圖