一種高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案

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USB 2.0 規(guī)范。隨著測試測量要求的不斷提高，USB 2.0 已逐漸難以滿足要求。新的USB3.0 規(guī)范很好的解決了USB 2.0 中存在的一些局限，非常適用于現(xiàn)代測試測量系統(tǒng)。

1 USB 2.0 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)用在測試測量領(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，同一時間只能有一個方向的數(shù)據(jù)傳輸，在需要雙向高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊贤y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Token，大大制約了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

3) 通信速率相比于競爭對手不高

USB 的競爭對手有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 USB 3.0 SS(SuperSpeed)標(biāo)準(zhǔn)簡介

為了加強USB 的性能和競爭力，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 相比也同樣具有競爭力。

USB3.0 在2.0 的基礎(chǔ)上新增加了2 對差分鏈路，專門用于傳送SS 差分信號。主機(jī)側(cè)接口的機(jī)械特性和USB 2.0 兼容，而設(shè)備側(cè)使用了新的接口形式，以容納新增的兩對差分信號線。USB2.0 接口的B 型連接器可以插入USB 3.0 的設(shè)備端，此時設(shè)備工作于USB 2.0 模式下;但USB 3.0 的B 型連接器無法插入USB 2.0的設(shè)備端。

除此以外，USB 3.0 的總線供電能力達(dá)到1A，使其可以用于移動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、測試測量設(shè)備等多個領(lǐng)域。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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.

整個系統(tǒng)的功能框圖如圖2 所示。

圖中，傳感器將外部信號變換為電信號;放大濾波部分將傳感器輸出的微弱電信號進(jìn)行放大、濾波處理，以去除外部干擾;AD6644 在FPGA 的控制下對放大濾波后的信號進(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

在整個硬件系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA 與CYUSB3014 之間的數(shù)據(jù)傳輸速度是決定整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。Cypress 在GPIF 的基礎(chǔ)上設(shè)計 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 接口時序，編寫了相應(yīng)的FPGA 程序，實現(xiàn)了在FPGA 和CYUSB3014之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。實測結(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

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)動和軟件設(shè)計

Cypress 提供了基于WDF 的驅(qū)動程序模塊，WDF(WindowsDriver Foundation)是microsoft 推行的驅(qū)動開發(fā)框架，用來替代之前的WDM 框架。WDF 框架對WDM 進(jìn)行了封裝和繼承，與WDM相比，WDF 框架的驅(qū)動開發(fā)更簡單方便，尤其是簡化了電源管理和PNP(Plug and play)方面的工作量。根據(jù)該系統(tǒng)的實際需要，對驅(qū)動代碼進(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)計要求。

8 結(jié)語

本文的高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案，首先對傳感器輸出信號進(jìn)行放大濾波處理，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。實踐證明，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，實時性也有很好的增強，能夠滿足高速實時數(shù)據(jù)采集的要求，在數(shù)據(jù)采集和測試測量領(lǐng)域必將大顯身手。