基于USB2.0的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

　　簡介：介紹基于USB2.0協(xié)議、最多可四路同步采樣的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其單通道采樣速度620ksps,四通道同時采樣速度可達180ksps。USB接口控制及通信芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013,通過對其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計和芯片內(nèi)部FIFO的有效運用,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采樣。

　　USB(Universal Serial Bus)總線是INTEL、NEC、MICROSOFT、IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線接口規(guī)范。為了適應(yīng)高速傳輸?shù)男枰?2000年4月,這些公司在原1.1協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂了USB2.0傳輸協(xié)議,已超過了目前IEEE1394接口400Mbps的傳輸速度,達到了480Mbps。USB總線使用簡單,支持即插即用PnP(Plug And Play),一臺主機可串連127個USB設(shè)備。設(shè)備與主機之間通過輕便、柔性好的USB線纜連接,最長可達5m,使設(shè)備具有移動性,可自由掛接在具有USB接口的運行在Windows98/NT平臺的PC機上。USB總線已被越來越多的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和用戶自定義外設(shè)所使用,如鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀、音箱等。

　　筆者結(jié)合設(shè)備檢測中數(shù)據(jù)采集的實際需要,設(shè)計了該高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)最多可四路同步采樣,單通道采樣速度可達620ksps,四通道同時采樣速度可達180ksps。USB接口控制芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013,通過對其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計和芯片內(nèi)部FIFO的有效運用,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采樣和傳輸。

　　1 基本原理

　　該采集系統(tǒng)總體框架分三部分：主機(能支持USB2.0協(xié)議的PC機)、內(nèi)部包含CPU及高速緩存的USB接口控制芯片(CY7C68013)和高速同步采樣芯片(MAX115),如圖1所示。其數(shù)據(jù)傳輸分兩部分：控制信號傳輸和采集數(shù)據(jù)傳輸?？刂菩盘柗较驗橛芍鳈C到外設(shè),由外設(shè)CPU控制,數(shù)據(jù)量較小;采集到的數(shù)據(jù)由外設(shè)到主機,數(shù)據(jù)量較大。為了保證較高的傳輸速度,不經(jīng)過CPU。系統(tǒng)基本操作過程為：主機給外設(shè)一個采樣控制信號,FX2根據(jù)該信號向A/D轉(zhuǎn)換器送出相應(yīng)控制信號,即采樣模式控制字;之后由A/D轉(zhuǎn)換器自主控制轉(zhuǎn)換,并將各通道采樣數(shù)據(jù)存入其片內(nèi)緩存。一旦轉(zhuǎn)換完成,由A/D的完成位向FX2的可編程控制接口發(fā)讀采樣結(jié)果信號;然后由可編程接口的控制邏輯依次將各通道采樣結(jié)果從A/D的緩存讀入FX2的內(nèi)部FIFO。當(dāng)FIFO容量達到指定程度后,自動將數(shù)據(jù)打包傳送給USB總線。期間所有操作不需要CPU的干預(yù)。采樣過程中接口控制邏輯依次取走批量數(shù)據(jù),在打包傳送時A/D仍持續(xù)轉(zhuǎn)換,內(nèi)部FIFO也持續(xù)寫入轉(zhuǎn)換結(jié)果。只要內(nèi)部FIFO寫指針和讀指針位置相差達到指定的值就立即取走數(shù)據(jù)。從而保證了同步連續(xù)高速采集的可靠性。

　　2 硬件部分

　　2.1 芯片介紹

　　CY7C68013屬于Cypress公司的FX2系列產(chǎn)品,它提供了對USB2.0的完整解決方案。該芯片包括帶8KB片內(nèi)RAM的高速CPU、16位并行地址總線+8位數(shù)據(jù)總線、I2C總線、4KB FIFO存儲器以及通用可編程接口(GPIF)、串行接口引擎(SIE)和USB2.0收發(fā)器。在代碼的編寫上,與8051系列單片機兼容,且速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的3～5倍。

　　CY7C68013與外設(shè)有兩種接口方式：可編程接口GPIF和Slave FIFOs。

　　可編程接口GPIF是主機方式,可以由軟件設(shè)置讀寫控制波形,靈活性很大,幾乎可以對任何8/16 bit接口的控制器、存儲器和總線進行數(shù)據(jù)的主動讀寫,使用非常靈活。Slave FIFOs方式是從機方式,外部控制器可象對普通FIFO一樣對FX2的多層緩沖FIFO進行讀寫。FX2的Slave FIFOs工作方式可設(shè)為同步或異步;工作時鐘為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入可選;其它控制信號也可靈活地設(shè)置為高有效或低有效。筆者在設(shè)計中采用主機方式。

　　MAX115是美信公司的高速多通道同步采樣芯片。含有兩組4路同步通道,共8個輸入端。采樣精度為12位,采樣模式由采樣控制字決定,可靈活地在兩組中的1～4個通道間選擇。采樣時,各通道轉(zhuǎn)換結(jié)果先存入其內(nèi)部相對應(yīng)的4個12bit存儲單元,各通道都轉(zhuǎn)換完后再一起取走。

　　2.2 電路原理及設(shè)計

　　考慮CY7C68013與MAX115接口時,采樣模式不同,控制波形有所差別,筆者選擇主機方式即可編程控制接口(GPIF)。

　　GPIF是FX2端點FIFO的內(nèi)部控制器。在這種方式下,接口內(nèi)核可產(chǎn)生6個控制輸出端(CTL0～CTL5)和9根線的地址(GADR[8:0])輸出,同時可以接收6個外部輸入(RDY0～RDY5)和2個內(nèi)部輸入。FX2有4個波形描述符控制各個狀態(tài)。這些波形描述符可以動態(tài)地配置給任何一個端點FIFO。例如,一個波形描述符可以配置為寫FIFO,而另一個配置為讀FIFO。FX2的固件程序可以把這些描述符配置給四個FIFO中的任意一個,配置后,GPIF將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯和握手信號給外界接口,滿足向FIFO讀寫數(shù)據(jù)的需要。GPIF的數(shù)據(jù)總線既可以是單字節(jié)寬(8位FD[7:0])也可以是雙字節(jié)寬(16位FD[15:0])。每個波形描述符包含了S0～S6 七個有效狀態(tài)和一個空閑狀態(tài)。在每個有效狀態(tài)對應(yīng)的時間段里,經(jīng)過預(yù)先設(shè)置,GPIF可以做以下幾件事情：(1)驅(qū)動(使為高或低)或懸浮6個輸出控制端;(2)采樣或驅(qū)動FIFO的數(shù)據(jù)總線;(3)增加GPIF地址總線的值;(4)增加指向當(dāng)前FIFO指針的值;(5)啟動GPFIWF(波形描述符)中斷。除此之外,在每個狀態(tài),GPIF可以對以下幾個信號中任意兩個進行采樣,它們是：(1)RDYX輸入端;(2)FIFO狀態(tài)標(biāo)志位;(3)內(nèi)部RDY標(biāo)志位;(4)傳輸計數(shù)中止標(biāo)志位。把其中兩個信號相與、相或或者相異或,根據(jù)結(jié)果跳轉(zhuǎn)到其它任意一個狀態(tài)或延遲1～256個IFCLK時鐘周期。當(dāng)然也可以根據(jù)輸入端的信號進行跳轉(zhuǎn)或延遲。GPIF波形描述符通常用Cepress公司的GPIF工具(GPIFTOOL)進行配置。它是一個可運行于Windows平臺的應(yīng)用程序,與FX2的開發(fā)包一起發(fā)布。

　　在這種方式下,所有的讀寫及控制邏輯通過CY7C68013 的GPIF以軟件編程的方式實現(xiàn),且控制邏輯的變換方便靈活(只需要改變接口的一個配置寄存器的值)。電路連接如圖2所示。

　　本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只用到了兩個輸出控制CTL0、CTL1和一個外部輸入RDY0,它們分別接MAX115的CONVST#、WR#和INT#。數(shù)據(jù)總線用雙字節(jié),其中FD0～FD11接MAX115的數(shù)據(jù)輸入端D0～D11,FD12和FD13接控制字輸入端的A2和A3,FD0和FD1復(fù)用做控制字輸入端的A0和A1。MAX115的采樣基準(zhǔn)時鐘由FX2的輸出時鐘經(jīng)三分頻得到,為16MHz。對應(yīng)四種數(shù)據(jù)傳輸方式(八種不同的采樣模式),GPIF的控制及握手信號波形有所不同。四通道同步采樣的時序圖如圖3所示。

　　在第一個判決點,若采樣數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備就緒,MAX115傳給GPIF一個負(fù)脈沖信號RDY0;根據(jù)此信號,波形按順序轉(zhuǎn)入2、3、4、5狀態(tài),使指向內(nèi)部FIFO的指針在每個時鐘上升沿加1,依次讀取四個數(shù)據(jù),取完數(shù)據(jù)后利用CTL0的上升沿啟動下一次采樣。若在狀態(tài)1時沒有出現(xiàn)負(fù)脈沖,則直接跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)6,之后重復(fù)執(zhí)行此波形描述符。

　　三通道同步采樣時,讀取數(shù)據(jù)的狀態(tài)只需要持續(xù)三次。其它采樣模式控制波形的設(shè)計依此類推。

　　2.3 固件程序設(shè)計

　　固件程序是指運行在設(shè)備CPU中的程序。只有在該程序運行時,外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備。固件程序負(fù)責(zé)初始化各硬件單元,重新配置設(shè)備及A/D采樣控制。固件代碼的存儲位置有三種：第一種是存在主機中,設(shè)備加電后由驅(qū)動程序把固件下載到片內(nèi)RAM后執(zhí)行,即“重新枚舉”;第二種方法是把固件代碼固化到一片EEPROM中,外設(shè)加電后由FX2通過I2C總線下載到片內(nèi)RAM后自動執(zhí)行;最后一種方法是把程序固化到一片ROM中,使之充當(dāng)外部程序存儲器,連在FX2三總線上。筆者選用第一種方式,這種方式便于系統(tǒng)的調(diào)試和升級。固件程序框圖如圖4所示。

　　3 用戶程序和驅(qū)動程序

　　3.1 驅(qū)動程序的編寫

　　該系統(tǒng)需要兩個驅(qū)動程序,即通用驅(qū)動和下載固件的驅(qū)動。通用驅(qū)動完成與外設(shè)和用戶程序的通信及控制;而下載固件的驅(qū)動則只負(fù)責(zé)在外設(shè)連接USB總線后把特定的固件程序下載到FX2的RAM中,使FX2的CPU重啟,模擬斷開與USB總線的連接,完成對外設(shè)的重新設(shè)置。主機根據(jù)新的設(shè)置安裝通用驅(qū)動程序,重新枚舉外設(shè)為一個新的USB設(shè)備。

　　通用驅(qū)動程序一般不需要重新編寫,用Cypress公司已經(jīng)編好的驅(qū)動ezusb.sys;而下載固件的驅(qū)動則必須定做,其詳細(xì)操作過程見參考文獻[2]。

　　3.2 用戶程序的編寫

　　用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口,它通過通用驅(qū)動程序完成對外設(shè)的控制和通信。在編寫用戶程序時,首先要建立與外設(shè)的連接,然后才能實施數(shù)據(jù)的傳輸。啟動采樣后,為了保證不丟失數(shù)據(jù),用戶程序應(yīng)該建立一個新的工作線程專門獲取外設(shè)傳來的數(shù)據(jù)。程序中主要用到兩個API函數(shù)：CreateFile()和DeviceIoControl ()。CreateFile()取得設(shè)備句柄后,DeviceIoControl ()根據(jù)該句柄完成數(shù)據(jù)傳輸。程序代碼簡要如下：

　　hDevice = CreateFile(″\\.\EZUSB-0″)

　　GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,

　　FILE_SHARE_WRITE,

　　NULL,

　　OPEN_EXISTING,

　　FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,

　　NULL);

　　If (hDevice == INVALID_HANDLE_VALUE)

　　{

　　Application->MessageBoxA(“無法創(chuàng)建設(shè)備,請確認(rèn)設(shè)備是否連上!”,NULL,IDOK);

　　}

　　else

　　{

　　DeviceIoControl (

　　hDevice,

　　IOCTL_EZUSB_BULK_WRITE,

　　&blkctl,

　　sizeof(BULK_TRANSFER_CONTROL),

　　&inBuffer, //定義的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

　　sizeof(inBuffer),

　　&nBytes,

　　NULL);

　　……

　　}

　　程序框圖如圖5所示。

　　在該高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計中,CY7C68013芯片靈活的接口和可編程特性簡化了外部硬件的設(shè)計,提高了系統(tǒng)的可靠性,也利于PCB板的制作與調(diào)試。另外,USB設(shè)備的可熱插拔特性使得該系統(tǒng)具有便攜式的特點,使用方便,無需關(guān)機重啟或打開機箱進行安裝。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某型。