基于USB 2．0的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

l 引 言

　　通用串行總線(xiàn)(Univeisal Serial Bus，USB)憑借其即插即用、熱插拔以及較高的傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)，成為PC機(jī)與外設(shè)連接的普遍標(biāo)準(zhǔn)。迄今為止，常用的USB總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)有1998年發(fā)布的USB 1．1版本和2000年發(fā)布的USB2.0版本。其中1．1版本支持兩種傳輸速率：1．5 Mb／s和12 Mb／s，主要應(yīng)用在低速傳輸要求的場(chǎng)合。而USB2.0[1]版本在1．1版本的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了以下特點(diǎn)：

　　最高480．Mb／s傳輸速率，比USB 1．1提高了40倍；全面兼容USB 1．1設(shè)備；新的HUB結(jié)構(gòu)成倍地提高USB1．1設(shè)備的數(shù)據(jù)流速度。

　　對(duì)于一個(gè)基于USB的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無(wú)論USB芯片還是D／A轉(zhuǎn)換器，都有多種不同的選擇方案。考慮到系統(tǒng)的精度、速率等諸元素，筆者在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了EZ-USB FX2系列中功能較強(qiáng)的CY7C68013A TQFP 128腳封裝芯片作為核心控制器，結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)化器AD7658，開(kāi)發(fā)了，一套基于USB 2．O的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 CY7C68013A芯片介紹

　　設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的接口芯片選用Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013A[2](128腳)，他包括1個(gè)8051處理器，1個(gè)串行接口引擎(SIE)，1個(gè)USB收發(fā)器，8.5 kB片上RAM，4 kB FIFO存儲(chǔ)器和1個(gè)通用可編程接口(GPIF)。

　　(1)內(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型的51內(nèi)核，其指令集與標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容，并且在多方面有所改進(jìn)。例如：最高工作頻率可達(dá)48 MHz，一個(gè)指令周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，2個(gè)UART接口，3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，1個(gè)1。C接口引擎等。

　　(2)提供了一個(gè)串行接、口引擎(SIE)，負(fù)責(zé)完成大部分USB 2．0協(xié)議的處理工作，從而大大減輕了USB協(xié)議處理的工作量，并且提供了4 kB的FIFO保證數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枰：鸵酝腢SB傳輸引擎不同的是，68013的內(nèi)核部分不直接參與FIFO以及傳輸工作，傳輸與控制部分脫離，大大提高了總線(xiàn)傳輸?shù)乃俣龋@也是本系統(tǒng)的特點(diǎn)之一。

　　(3)為實(shí)現(xiàn)與各種不同外設(shè)的互連，芯片中集成了一個(gè)GPIF模塊，使用戶(hù)可按照外設(shè)的時(shí)序進(jìn)行波形編輯，而不需要復(fù)雜的程序描述，就可以保證GPIF與內(nèi)部FIFO的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)芯片與高速外圍設(shè)備之間的邏輯連接和高速數(shù)據(jù)傳輸。這對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是相當(dāng)友好的。筆者就是利用這一特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速同步采集及傳輸。

3 同步高速數(shù)據(jù)采集芯片AD7658

3．1 AD7658 [3]的結(jié)構(gòu)

　　AD7658是AD公司推出的高速、6通道、低功耗、雙極性12位的A／D轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要特點(diǎn)是：6個(gè)獨(dú)立的快速ADC模塊(允許同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換6路信號(hào))；正確的雙極模擬輸入；最高的速度：250 KSPS;低功率：5 V的電源以250 KSPS速度運(yùn)行下，功率是400 mW；串行和并行接口；高速串行接口；兼容SPI／QSPI／DSP接口；節(jié)電模式時(shí)最大消耗5μA；64LQF、P封裝。

3．2 AD7658的控制時(shí)序

　　前面已經(jīng)提到AD7658可以采用并行接口或者高速的串行接口，在本文中，我們采用并平行接口。在USB2．0同步高速數(shù)據(jù)采集器中他的控制時(shí)序，是利用GPIF實(shí)現(xiàn)圖3所示的時(shí)序控制。

　　其中CONVST 是轉(zhuǎn)換開(kāi)始啟動(dòng)信號(hào)，下降沿觸發(fā)3路．ADC開(kāi)始裝換；BUSY信號(hào)在CONVST信號(hào)觸發(fā)后；變成并保持為高電平狀態(tài)，直到3路ADC轉(zhuǎn)換完畢，才又回到低電平；CS信號(hào)和RD信號(hào)分別是芯片使能信號(hào)以及讀允許信號(hào)。兩者第一次同為低電平時(shí)，讀出第一組ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)；在第二次為高電平時(shí)，讀出第二組ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

4 USB高速數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)

　　實(shí)際信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)成電信號(hào)，而后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，達(dá)到AD7658可以輸入的信號(hào)范圍，之后在GPIF模塊的控制下，由AD7658對(duì)其進(jìn)行等間隔采樣，然后將采樣結(jié)果通過(guò)GPIF 傳送到CY7C68013A的內(nèi)部FIFO中緩存；當(dāng)采集一定量的數(shù)據(jù)CY7C68013A自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包(不需要8051的介入)，通過(guò)USB總線(xiàn)傳輸?shù)絇C機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

5 USB高速數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，一部分是固件設(shè)計(jì)，另一部分是驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序。

5．1 固件設(shè)計(jì)

　　固件是運(yùn)行在CY7C68013A上的程序，本系統(tǒng)采用C51語(yǔ)言來(lái)編程設(shè)計(jì)，其主要功能是控制CY7C68013接收并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求(如請(qǐng)求設(shè)備描述符、請(qǐng)求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)，請(qǐng)求或設(shè)置設(shè)備接口等USB 2．0標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求)、控制CY7C68013A接收應(yīng)用程序的控制指令、通過(guò)cY7C6801 3A存放數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳至PC等。

　　本方案中的固件設(shè)計(jì)思路是：在Cypress公司自己提供的固件開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)上，結(jié)合該固件工程所提供的FW．C，BULK．C，DSCR．A51，F(xiàn)X2．H，F(xiàn)X2REGS．H等文件，運(yùn)用高級(jí)語(yǔ)言C51進(jìn)行編程。固件程序的載入方式為：使用CY7(268013A特有的軟配置功能。將固件程序存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，當(dāng)沒(méi)備接入U(xiǎn)SB電纜時(shí)，通過(guò)Cypress公司提供的開(kāi)發(fā)軟件Usb Control Pariel的Download項(xiàng)，將固件載入到控制芯片中。

5．2驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　USB需要通用驅(qū)動(dòng)和下載固件驅(qū)動(dòng)兩個(gè)程序。通用驅(qū)動(dòng)用于完成外設(shè)與用戶(hù)程序的通信，可使用Cypress公司開(kāi)發(fā)包所提供的已經(jīng)編好的通用驅(qū)動(dòng)程序ezusb．sys，一般不需要重新編寫(xiě)；下載固件驅(qū)動(dòng)則負(fù)責(zé)在外設(shè)連接USB總線(xiàn)后把特定的固件程序下載到CY7C68013A的RAM中使C2PU重啟，同時(shí)模擬斷開(kāi)與USB總線(xiàn)的連接，以完成對(duì)外設(shè)的重新設(shè)置，使主機(jī)能夠根據(jù)新的設(shè)置來(lái)安裝通用驅(qū)動(dòng)程序，重新列舉外設(shè)為一個(gè)新的USB設(shè)備。他可以由Cypress公司已經(jīng)編好的驅(qū)動(dòng)部分和固件程序由DDK編譯后生成。在本設(shè)計(jì)方案中，采用的就是在配置好的輔助開(kāi)發(fā)環(huán)境中修改這個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序的方式。

5．3應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　主機(jī)應(yīng)用程序是主要實(shí)現(xiàn)從高速數(shù)據(jù)采集處理板讀取處理后的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、顯示處理結(jié)果以及向數(shù)據(jù)采集處理板發(fā)送控制命令。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用Windows XP作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以VC++6．0為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)中考慮到工程要求，主要兼顧了以下功能：采集傳輸控制功能(連接設(shè)備，設(shè)定采集參數(shù)，啟動(dòng)和停止采集，下載程序，塊傳輸測(cè)試的開(kāi)始、結(jié)束、設(shè)置、計(jì)數(shù)編輯、持續(xù)時(shí)間編輯)；描述符的讀取功能(設(shè)備、配置、接口、端點(diǎn)、字符串的描述符讀取)；系統(tǒng)功能(數(shù)據(jù)圖形結(jié)果，文件數(shù)據(jù)的生成)。

6 結(jié) 語(yǔ)

　　隨著現(xiàn)在實(shí)際要求的多樣化、復(fù)雜化，對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度、速度要求也越來(lái)越高，USB 2．0已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。本系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的USB接口設(shè)計(jì)，通過(guò)最簡(jiǎn)單的連接，達(dá)到高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的目的。該系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、傳輸速率高，還具有USB設(shè)備的體積小，使用方便等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足了很多工程中數(shù)據(jù)采集的要求。

參考文獻(xiàn):

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