在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，在信號(hào)測(cè)量、圖像處理、音視頻信號(hào)處理等一些高速、大容量的信號(hào)采集和傳輸過程中，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)傳輸受到人們?cè)絹碓綇V泛的重視?，F(xiàn)在通用的數(shù)據(jù)采集卡一般是PCI卡或是ISA卡，這些采集卡存在諸多缺點(diǎn)，比如安裝不方便、傳輸速度慢、受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷等資源的限制．可擴(kuò)展性差。

LJSB（Universal Serial Bus），其中文名稱為“通用串行總線”。他是為了解決計(jì)算機(jī)外設(shè)種類口益增加與有限的主板插槽和端r丁之間的矛盾．由Intel，Microsoft，IBM，NEC，lucent等7家廠商共同制定的總線標(biāo)準(zhǔn)。目前，常用的LISB 2．O版本支持的最高傳輸速度可達(dá)到480 Mb／s．他以速度快、成本低、可靠性高、支持即插即用和熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，迅速得到眾多PC廠商的大力支持。同時(shí)，開發(fā)這種基于uSB 2．0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，代表了現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，他也將被越來越多的用戶所接受。

1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)總體框架為PC機(jī)（能支持USB 2．O協(xié)議的計(jì)算機(jī)）、A／D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA控制模塊、LYSB控制模塊，如圖l所示。

從整體上看結(jié)構(gòu)可分為2個(gè)部分：高速數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)；USB 2．O高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1．1數(shù)據(jù)采集模塊

該系統(tǒng)主要由l片高速AD 芯片、1片SDRAM和l片A1tera公司的FPGA構(gòu)成。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)采樣速度最大為1（）0 MHz．據(jù)采樣定理，采樣頻率至少應(yīng)在200MHz以上，所以A/D芯片采用Analog公司的高速A／D芯片AD9480。該芯片轉(zhuǎn)換精度8 b．單一3．3 V電源供電，低功耗，最高工作速度為250 MS/s，采用差分形式、LVDS電平輸出，經(jīng)過測(cè)試可以很好地滿足系統(tǒng)要求。

為了滿足數(shù)據(jù)采集中高速實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)的應(yīng)用，避免FIFO溢出，本系統(tǒng)通過FPGA及SDRAM構(gòu)造一個(gè)大容量的FIFO，可以提供一個(gè)低成本并且能滿足高速實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨浮?/p>

低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常使用MCU作為CPU來控制，但在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采樣速度往往受MCU速度的影響，而且隨著速度的提高，ADC，SDRAM和MCtJ之間的時(shí)序同步問題也顯示出來，因此系統(tǒng)使用了高速FPGA芯片來控制ADC和SDRAM，從而很好地解決了時(shí)序精度和同步的問題。

FPGA選擇A1tera公司的CYCLONE系列高性價(jià)比產(chǎn)品EPlC6T144C8。他基于1．5 V，O．3 μm及全層銅SRAM工藝，其密度增加至20 060個(gè)邏輯元件（LE），RAM增加至288 kb。他具有鎖相環(huán)以及DDR SDR和速度周期RAM（FCRAM）存儲(chǔ)器所需的專用雙數(shù)據(jù)（DDR）接口等。CYCLONE器件支持多種I／O口標(biāo)準(zhǔn)，包括640 Mb／s的LVDS，以及速率為33 MHz和66 MHz，數(shù)據(jù)寬度為32 b和64 b的PCI。FPGA實(shí)現(xiàn)的功能邏輯主要有：實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC的控制，開始A／D轉(zhuǎn)換；為ADC同步提供SDRAM地址計(jì)數(shù)和寫信號(hào)，把每次A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果直接存入SDRAM，并自動(dòng)增加地址；當(dāng)?shù)刂酚?jì)數(shù)器達(dá)到最大時(shí)，發(fā)出RAMFULL中斷信號(hào)，提示SDRAM已滿。

FPGA的功能邏輯用VHDL語言實(shí)現(xiàn)，其編譯和仿真使用Altera公司的QuartusⅡ5．1，使用ByteBlastⅡ并行編程電纜和JTAG口下載編程和配置文件。

1．2 USB 2．0高速數(shù)據(jù)傳輸

用于USB設(shè)備開發(fā)的芯片通常有2種類型：一種是MCU集成在芯片里面，如CYPRESS的EZ-USB；另一種是純粹的USB接口芯片，僅處理USB通信，使用時(shí)必須由外部微控制器（MCU）進(jìn)行控制，如Philips的PDIUSBD1 2，National Semiconductor的USBN9604等。在本設(shè)計(jì)中經(jīng)過論證分析，采用第一種類型，采用Cypress公司的EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片。

1．2．1 EZ-USB FX2（CY7C68013）芯片

Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是最早符合USB 2．0協(xié)議的微控制器之一，他集成了符合USB 2．O協(xié)議的收發(fā)器（transceiver），串行接口引擎（SIE），增強(qiáng)型的8051內(nèi)核以及可編程的外圍接口。FX2系列芯片獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)56 Mb／s，最大限度地滿足了USB 2．O的帶寬。CY7C68013集成標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核，且具有下列增強(qiáng)特性：可以達(dá)到48 MHz時(shí)鐘；每條指令占4個(gè)時(shí)鐘周期；2個(gè)USARTS；3個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器；擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)；2個(gè)數(shù)據(jù)指針。

805l程序從內(nèi)部RAM開始運(yùn)行，借助如下3種方式進(jìn)行程序裝載：通過USB下載，從E2PROM中裝載；通過外部存儲(chǔ)器設(shè)備。內(nèi)部集成了達(dá)4 kB的FIFO，用戶程序發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，直接從FIFO里讀取，保證了數(shù)據(jù)高速傳輸，與外部實(shí)現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸。

1．2．2 硬件連接

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蛯?shí)時(shí)性的要求，配置CY7C68013工作的接口模式為Slave FIFO模式。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，硬件連接方式如圖3所示。

A／D轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘同時(shí)作為CY7C68013的Slave F=IFO模式的讀寫控制時(shí)鐘，即CY7C68013的接口時(shí)鐘連接到IFCLK引腳。SLWR／SLRD是CY7C68013Slave FIFO的寫使能／讀允許信號(hào)。FPGA向CY7C268013Slave FIFO提供Slave FIFO輸出允許信號(hào)SLOE，僅在數(shù)據(jù)輸出時(shí)有效。FD［15：0］為16 b雙向數(shù)據(jù)總線。FI-FOADR［1：0］為端點(diǎn)FIFO選擇信號(hào)。在數(shù)據(jù)輸入時(shí)固定為OO，選擇端點(diǎn)2；在數(shù)據(jù)輸出時(shí)固定為10，選擇端點(diǎn)6。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

USB系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可分為3部分：固件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和用戶端的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

2．1 固件（firmware）設(shè)計(jì)

固件程序?qū)嶋H上就是單片機(jī)方面的軟件設(shè)計(jì)，他是所有基于微控制器及其外圍電路的功能設(shè)備正常工作必不可少的部分，其作用就是輔助硬件。

2．1．1 軟件設(shè)計(jì)的主要功能

與軟件設(shè)計(jì)主要有以下幾種功能：初始化工作，包括設(shè)置一些特殊功能寄存器的初值以實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)備屬性或者功能，例如開中斷，使能端點(diǎn)，配置端口等；輔助硬件完成設(shè)備的重新枚舉過程，包括模擬設(shè)備的斷開與重新連接，對(duì)接收到的設(shè)置包進(jìn)行分析判斷，從而對(duì)主機(jī)的設(shè)備請(qǐng)求作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，完成主機(jī)對(duì)設(shè)備的配置任務(wù)；對(duì)中斷的處理；數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；外圍電路的控制。

Cypress公司為了簡(jiǎn)化和加速用戶使用EZ-USBFX2芯片進(jìn)行USB外設(shè)的開發(fā)過程，提供了一個(gè)完整的固件程序的架構(gòu)，可以在KEILC5l環(huán)境下開發(fā)，用戶只需要提供一個(gè)USB描述符表，添加其他端點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信代碼，以及控制外圍電路的程序代碼。由于開發(fā)框架的引入，大大縮短了用戶的研發(fā)周期。

2．1．2 軟件設(shè)計(jì)的框架

該框架由以下幾部分組成：

（1）Fw．C中包含了程序框架的MAIN函數(shù)，管理整個(gè)51內(nèi)核的運(yùn)行，因?yàn)镃ypress對(duì)這個(gè)部分的功能進(jìn)行了精心劃分，一般是不用改動(dòng)的。

（2）用戶必須將PERIPH．C實(shí)例化，他負(fù)責(zé)系統(tǒng)周邊器件的互聯(lián)。固件的設(shè)計(jì)主要針對(duì)這個(gè)文件，用戶必須根據(jù)自己系統(tǒng)的需要，實(shí)例化這個(gè)文件，以實(shí)現(xiàn)自己的功能。在這個(gè)文件中有幾個(gè)函數(shù)是比較關(guān)鍵的，在這里做特別說明：

TD_Init函數(shù) 負(fù)責(zé)對(duì)USB端點(diǎn)進(jìn)行初始化設(shè)置。在FX2再次枚舉和開始任務(wù)分配前被調(diào)用，其目的是初始化各個(gè)端口以及各端口的先入先出緩沖區(qū)。

TD_Poll函數(shù) 負(fù)責(zé)系統(tǒng)中循環(huán)任務(wù)的處理。他主要是對(duì)各個(gè)端點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行查詢，處理各種OUT或IN端點(diǎn)的交互。值得說明的一點(diǎn)是，這種處理只是輔助性質(zhì)的，大部分工作由硬件自動(dòng)完成。

DR-VendorCmnd函數(shù) 主要負(fù)責(zé)用戶自定義命令的譯碼工作，用戶請(qǐng)求通過端點(diǎn)O傳輸給內(nèi)核。由于CY7C68013上SIE硬件的支持，用戶只需查詢固定地址單元即可獲得當(dāng)前的命令代碼。

DSCR．A51是描述表文件，負(fù)責(zé)USB設(shè)備的描述工作，CY7C68013在上電后自動(dòng)利用其中的VID和PID取代默認(rèn)的VID和：PID。兩個(gè)包含文件EZtJSB．LIB和US-BJMPTB．OBJ，前者是EZUSB函數(shù)庫的二進(jìn)制文件，后者是USB的中斷向量表。

固件調(diào)試，使用Cypress提供的EZ-LISB controlpanel，具體的操作讀者可以參考其自帶幫助。對(duì)編譯好的固件代碼，Cypress為L(zhǎng)ISB總線設(shè)備開發(fā)者提供了2種方法向。EZ一USB芯片下載8051固件代碼：

一種是主機(jī)通過軟件下載固件從主機(jī)上下載8051固件代碼，他為用戶提供了很大的靈活性。這種方法充分利用EZ-USB內(nèi)部的8 k RAM來裝載8051代碼和數(shù)據(jù)。由于EZ-USB具有重新枚舉的能力，所以在初始化枚舉以后，用戶不需要斷開設(shè)備就可以裝載新的。設(shè)備描述符和8051程序代碼都能通過主機(jī)中的磁盤文件下載；另外一種是由E2PROM通過I2C口來下載固件。EZ-USB支持外部E2PROM通過總線來下載固件，這種方式使開發(fā)者可以從外圍硬件下載8051程序代碼。

2．2驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是開發(fā)USB外設(shè)的一個(gè)關(guān)鍵，他在整個(gè)系統(tǒng)中處于主機(jī)端應(yīng)用程序和設(shè)備端Firmware之間。他的主要作用是使操作系統(tǒng)能夠識(shí)別USB設(shè)備，并建立起主機(jī)端和設(shè)備端之間的通訊。

USB驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆谙冗M(jìn)的wDM（Win32 Driver Mod-e1）驅(qū)動(dòng)程序模式，支持即插即用功能。在wDM驅(qū)動(dòng)程序模式中，每個(gè)硬件設(shè)備至少有2個(gè)驅(qū)動(dòng)程序：一個(gè)為功能驅(qū)動(dòng)程序，即硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，他了解USB外設(shè)硬件工作的所有細(xì)節(jié)，負(fù)責(zé)初始化I／O操作；另一個(gè)為總線驅(qū)動(dòng)程序，他負(fù)責(zé)管理USB外設(shè)與主機(jī)的連接，如檢測(cè)接入主機(jī)的USB設(shè)備，并確定設(shè)備的資源使用情況等?？偩€驅(qū)動(dòng)程序要負(fù)責(zé)枚舉總線，并為每個(gè)設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)PDO（物理設(shè)備對(duì)象）。當(dāng)總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)現(xiàn)有設(shè)備接人或拔出總線時(shí)，他要向上層驅(qū)動(dòng)程序報(bào)告事件的發(fā)生。功能驅(qū)動(dòng)程序位于總線驅(qū)動(dòng)程序的上層，他要為設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)FDO（功能設(shè)備對(duì)象）。USB驅(qū)動(dòng)程序也稱客戶驅(qū)動(dòng)程序，他從不直接與硬件對(duì)話，僅靠創(chuàng)建USB請(qǐng)求塊URB，并使用USB驅(qū)動(dòng)程序接口USBDI將URB提交到總線驅(qū)動(dòng)程序就可以完成硬件操作。

在windows操作系統(tǒng)下，開發(fā)wDM驅(qū)動(dòng)程序可以有2種選擇：一種是選擇微軟公司的DDK（驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包）。DDK提供了創(chuàng)建wDM驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)環(huán)境，并提供了用于開發(fā)Windows 2000和Windows XP驅(qū)動(dòng)程序的頭文件、庫函數(shù)、源代碼、各種工具和文檔資料；另一種選擇是使用一些驅(qū)動(dòng)程序的輔助開發(fā)工具，比如Driver Stu-dio，windriver等，這些開發(fā)工具可以根據(jù)用戶的需求，為用戶自動(dòng)生成驅(qū)動(dòng)程序，用戶只需要在生成驅(qū)動(dòng)程序前，在向?qū)Э蛑邪凑仗崾咎钊胱约旱男枨?，并?duì)生成的驅(qū)動(dòng)程序做一些小的修改即可。

Cypress FX2開發(fā)包提供了一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序，可被用于基于EZ-uSB系列芯片的uSB設(shè)備。該程序可不加修改經(jīng)DDK編譯后直接使用，在應(yīng)用中可以看到其運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)然，用戶也可以以這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槠瘘c(diǎn)，創(chuàng)建自己的驅(qū)動(dòng)程序。 2．3應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)以驅(qū)動(dòng)程序?yàn)闃蛄?，?duì)15SB設(shè)備進(jìn)行命令控制，處理uSB設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)，例如波形顯示、頻譜分析等。采集系統(tǒng)的主機(jī)端工作在Windows操作系統(tǒng)下，所以主機(jī)端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)需要windows平臺(tái)下的開發(fā)工具如Visual C++，C++Builder。等。主機(jī)端軟件的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)從uSB設(shè)備讀取指定數(shù)量的數(shù)據(jù)以及向USB設(shè)備發(fā)送指定數(shù)量的數(shù)據(jù)，另外，還有向USB設(shè)備發(fā)送USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和特定的命令，這種命令包括廠商定義的命令和用戶自定義的命令。

CypreSS FX2開發(fā)包提供的EZ-USB通用驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橹鳈C(jī)端的用戶態(tài)應(yīng)用程序提供IJSB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?。所有用戶態(tài)程序訪問EZ USB通用驅(qū)動(dòng)程序都是通過I／OControl調(diào)用。用戶態(tài)程序首先通過調(diào)用Win32函數(shù)CreatFile（）得到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的句柄。然后調(diào)用win32函數(shù)DeviceloControl（），通過得到的句柄把I／O Control Code（IOCTL）和相關(guān)的輸入輸出緩沖區(qū)提交給驅(qū)動(dòng)程序。用戶程序框圖如圖4所示。

3 結(jié) 語

隨著筆記本電腦的迅速普及，高性能便攜式采集系統(tǒng)將會(huì)受到工程師們?cè)絹碓蕉嗟那嗖A，尤其是在RS 232接口已被大多數(shù)筆記本電腦擯棄的今天，對(duì)基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求就變得更加迫切。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，且利于設(shè)備的生產(chǎn)與調(diào)試。另外，設(shè)備的可熱插拔特性使該系統(tǒng)具有便攜式的特點(diǎn)，使用方便，無需關(guān)機(jī)重啟或打開機(jī)箱進(jìn)行安裝。事實(shí)證明，該基于2．0接口的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)和使用要求。