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

　　簡(jiǎn)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(shí)采樣速度可達(dá)180ksps。USB接口控制及通信芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013,通過(guò)對(duì)其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部FIFO的有效運(yùn)用,實(shí)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(guò)了目前IEEE1394接口400Mbps的傳輸速度,達(dá)到了480Mbps。USB總線使用簡(jiǎn)單,支持即插即用PnP(Plug And Play),一臺(tái)主機(jī)可串連127個(gè)USB設(shè)備。設(shè)備與主機(jī)之間通過(guò)輕便、柔性好的USB線纜連接,最長(zhǎng)可達(dá)5m,使設(shè)備具有移動(dòng)性,可自由掛接在具有USB接口的運(yùn)行在Windows98/NT平臺(tái)的PC機(jī)上。USB總線已被越來(lái)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(pán)、掃描儀、音箱等。

　　筆者結(jié)合設(shè)備檢測(cè)中數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需要,設(shè)計(jì)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(dá)620ksps,四通道同時(shí)采樣速度可達(dá)180ksps。USB接口控制芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013,通過(guò)對(duì)其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部FIFO的有效運(yùn)用,實(shí)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(jī)(能支持USB2.0協(xié)議的PC機(jī))、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(hào)傳輸和采集數(shù)據(jù)傳輸?？刂菩盘?hào)方向?yàn)橛芍鳈C(jī)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(jī),數(shù)據(jù)量較大。為了保證較高的傳輸速度,不經(jīng)過(guò)CPU。系統(tǒng)基本操作過(guò)程為：主機(jī)給外設(shè)一個(gè)采樣控制信號(hào),FX2根據(jù)該信號(hào)向A/D轉(zhuǎn)換器送出相應(yīng)控制信號(hào),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(hào);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(dá)到指定程度后,自動(dòng)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(guò)程中接口控制邏輯依次取走批量數(shù)據(jù),在打包傳送時(shí)A/D仍持續(xù)轉(zhuǎn)換,內(nèi)部FIFO也持續(xù)寫(xiě)入轉(zhuǎn)換結(jié)果。只要內(nèi)部FIFO寫(xiě)指針和讀指針位置相差達(dá)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(duì)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(chǔ)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(xiě)上,與8051系列單片機(jī)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(jī)方式,可以由軟件設(shè)置讀寫(xiě)控制波形,靈活性很大,幾乎可以對(duì)任何8/16 bit接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫(xiě),使用非常靈活。Slave FIFOs方式是從機(jī)方式,外部控制器可象對(duì)普通FIFO一樣對(duì)FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)。FX2的Slave FIFOs工作方式可設(shè)為同步或異步;工作時(shí)鐘為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入可選;其它控制信號(hào)也可靈活地設(shè)置為高有效或低有效。筆者在設(shè)計(jì)中采用主機(jī)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(gè)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(gè)通道間選擇。采樣時(shí),各通道轉(zhuǎn)換結(jié)果先存入其內(nèi)部相對(duì)應(yīng)的4個(gè)12bit存儲(chǔ)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(jì)

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

　　GPIF是FX2端點(diǎn)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(gè)控制輸出端(CTL0～CTL5)和9根線的地址(GADR[8:0])輸出,同時(shí)可以接收6個(gè)外部輸入(RDY0～RDY5)和2個(gè)內(nèi)部輸入。FX2有4個(gè)波形描述符控制各個(gè)狀態(tài)。這些波形描述符可以動(dòng)態(tài)地配置給任何一個(gè)端點(diǎn)FIFO。例如,一個(gè)波形描述符可以配置為寫(xiě)FIFO,而另一個(gè)配置為讀FIFO。FX2的固件程序可以把這些描述符配置給四個(gè)FIFO中的任意一個(gè),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(hào)給外界接口,滿足向FIFO讀寫(xiě)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(gè)波形描述符包含了S0～S6 七個(gè)有效狀態(tài)和一個(gè)空閑狀態(tài)。在每個(gè)有效狀態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間段里,經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置,GPIF可以做以下幾件事情：(1)驅(qū)動(dòng)(使為高或低)或懸浮6個(gè)輸出控制端;(2)采樣或驅(qū)動(dòng)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(dòng)GPFIWF(波形描述符)中斷。除此之外,在每個(gè)狀態(tài),GPIF可以對(duì)以下幾個(gè)信號(hào)中任意兩個(gè)進(jìn)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(jì)數(shù)中止標(biāo)志位。把其中兩個(gè)信號(hào)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(gè)狀態(tài)或延遲1～256個(gè)IFCLK時(shí)鐘周期。當(dāng)然也可以根據(jù)輸入端的信號(hào)進(jìn)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(jìn)行配置。它是一個(gè)可運(yùn)行于Windows平臺(tái)的應(yīng)用程序,與FX2的開(kāi)發(fā)包一起發(fā)布。

　　在這種方式下,所有的讀寫(xiě)及控制邏輯通過(guò)CY7C68013 的GPIF以軟件編程的方式實(shí)現(xiàn),且控制邏輯的變換方便靈活(只需要改變接口的一個(gè)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(gè)輸出控制CTL0、CTL1和一個(gè)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(shí)鐘由FX2的輸出時(shí)鐘經(jīng)三分頻得到,為16MHz。對(duì)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(hào)波形有所不同。四通道同步采樣的時(shí)序圖如圖3所示。

　　在第一個(gè)判決點(diǎn),若采樣數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備就緒,MAX115傳給GPIF一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)RDY0;根據(jù)此信號(hào),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(gè)時(shí)鐘上升沿加1,依次讀取四個(gè)數(shù)據(jù),取完數(shù)據(jù)后利用CTL0的上升沿啟動(dòng)下一次采樣。若在狀態(tài)1時(shí)沒(méi)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(shí),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(jì)依此類(lèi)推。

　　2.3 固件程序設(shè)計(jì)

　　固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備CPU中的程序。只有在該程序運(yùn)行時(shí),外設(shè)才能稱(chēng)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(chǔ)位置有三種：第一種是存在主機(jī)中,設(shè)備加電后由驅(qū)動(dòng)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(guò)I2C總線下載到片內(nèi)RAM后自動(dòng)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(chǔ)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(jí)。固件程序框圖如圖4所示。

　　3 用戶程序和驅(qū)動(dòng)程序

　　3.1 驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)

　　該系統(tǒng)需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序,即通用驅(qū)動(dòng)和下載固件的驅(qū)動(dòng)。通用驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(kāi)與USB總線的連接,完成對(duì)外設(shè)的重新設(shè)置。主機(jī)根據(jù)新的設(shè)置安裝通用驅(qū)動(dòng)程序,重新枚舉外設(shè)為一個(gè)新的USB設(shè)備。

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

　　3.2 用戶程序的編寫(xiě)

　　用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口,它通過(guò)通用驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)外設(shè)的控制和通信。在編寫(xiě)用戶程序時(shí),首先要建立與外設(shè)的連接,然后才能實(shí)施數(shù)據(jù)的傳輸。啟動(dòng)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(gè)新的工作線程專(zhuān)門(mén)獲取外設(shè)傳來(lái)的數(shù)據(jù)。程序中主要用到兩個(gè)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(jiǎn)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(wú)法創(chuàng)建設(shè)備,請(qǐng)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(jì)中,CY7C68013芯片靈活的接口和可編程特性簡(jiǎn)化了外部硬件的設(shè)計(jì),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(diǎn),使用方便,無(wú)需關(guān)機(jī)重啟或打開(kāi)機(jī)箱進(jìn)行安裝。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某型。