基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)簡介

　　通用串行總線（USB）支持熱插撥，真正的即插即用。USB1.1在全速傳輸時可以達到12Mbps的傳輸速率；低速傳輸時傳輸速率可達1.5Mbps。USB電纜線只有4根，兩根是電源線，傳送5V電源，可用來向設(shè)備供電；另外兩根是信號線，用來傳輸串行數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的RS－232串口比較，USB具有傳輸速度更快、集成化程度更高、編程化更好以及能夠支持多個設(shè)備等優(yōu)點。因此在我們的設(shè)計中用它來和主機接口實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信。

　　在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常采用單片機或DSP(數(shù)字信號處理器)作為CPU,控制ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）、存儲器和其他外圍電路的工作。但是單片機的時鐘頻率較低，難以適應(yīng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，而DSP雖然可以實現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其速度提高的同時也提高了系統(tǒng)的成本。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）有單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢：時鐘頻率高，內(nèi)部時延小；全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。因此，在本系統(tǒng)中我們用FPGA來控制A/D和USB芯片的運行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　圖中FPGA采用ALTERA公司生產(chǎn)的APEX 1k系列芯片，型號為EP1K30，通過在EPGA中編寫硬件邏輯控制A/D轉(zhuǎn)換器的運行；實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器和USB 控制芯片間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線接口。除此之外，為了保證EPGA和USB控制芯片間數(shù)據(jù)交互過程的實現(xiàn)，必須在FPGA中提供一個用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

2 A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)

　　在該系統(tǒng)中我們采用TI公司的ADS7800。它是12位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器^[2>，接口簡單，很容易控制，最大采樣率可達333kHz，輸入的電壓范圍為－10V～＋10V或－5V～＋5V。ADS7800芯片的數(shù)字接口比較簡單，可以很方便地與其它數(shù)字系統(tǒng)相連接。對此芯片地控制有完全控制模式（full control mode ）和孤立控制磨蝕（stand-alone control mode ）兩種控制方法。

　　在本系統(tǒng)中，對ADS7800芯片的控制是通過在FPGA芯片中編寫控制邏輯來實現(xiàn)的。我們采用了孤立控制模式，在此控制模式下，輸出數(shù)字信號是12位并行的。

　　利用FPGA芯片的可編程性可以使用芯片中的12個IO腳作為數(shù)據(jù)總線，另使用一些IO腳作為ADS7800的控制信號輸入，控制模/數(shù)變換器以32kHz的速率對模擬輸入信號進行采樣，采樣的數(shù)據(jù)存入FPGA的RAM中。本系統(tǒng)中所使用的FPGA芯片型號為EP1K30QC208-3，它具有著良好的特性，芯片內(nèi)部共有3萬個邏輯門，容量相當(dāng)大；6個嵌入式陣列塊，可是現(xiàn)最大為3k字節(jié)的RAM存儲器。

3 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 USB接口芯片介紹

　　在設(shè)計中，我們選取Cyprees公司的EZ-USB系列芯片來實現(xiàn)USB接口設(shè)備方的控制。它是一款帶有多個外設(shè)、高度集成的芯片，其功能框圖如圖2所示。一個集成的USB收發(fā)器（transceiver）連接USB總線的D＋和D－。串行接口引擎（SIE）對總線上的數(shù)據(jù)進行編/解碼、錯誤檢測、位填充以及USB規(guī)范規(guī)定的其它信號級操作的實現(xiàn)，并且最終把數(shù)據(jù)收或發(fā)到USB接口部分。

圖2 EZ-USB系統(tǒng)框圖

　　內(nèi)部的微處理器是8051單片機的增強型，提高了執(zhí)行速度并增加了一些新的特性。它使用內(nèi)部RAM作為程序和數(shù)據(jù)存儲器；帶有16位地址線和8位數(shù)據(jù)線用來訪問外部存儲器，特有的快速傳輸模式可以在外部邏輯和內(nèi)部USB FIFO間快速地傳遞數(shù)據(jù)。

3.2 USB總線數(shù)據(jù)通信解決方案

　　在實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信解決方案時，為完成數(shù)據(jù)流地正常傳輸，所建立的硬件平臺必須能夠提供兩個接口。首先必須要有一個實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線接口；除此之外，為了保證數(shù)據(jù)交互過程的正常實現(xiàn)，必須提供一個用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

　　AN2135SC芯片提供了EZ-USB系列芯片的所有接口和功能。在本系統(tǒng)中，我們將利用這款芯片和FPGA芯片配合工作，建立一個基于USB總線接口的數(shù)據(jù)通信解決方案，以實現(xiàn)將采樣信號輸出到上位機中的功能。

　　在此解決方案中，我們選擇AN2135SC芯片工作在快速數(shù)據(jù)傳輸模式下的8位并行數(shù)據(jù)總線D[7…0>作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€接口；選擇AN2135SC芯片中的通用 C總線主控制器接口作為數(shù)據(jù)通信過程中進行控制和狀態(tài)信息傳輸?shù)腉PIO接口。這樣，芯片中的一般GPIO引腳就可以用來實現(xiàn)其它功能，方便了系統(tǒng)的進一步擴充。圖3所示為AN2135SC芯片與FPGA芯片的接口示意圖。

　　為了使AN2135SC芯片中快速數(shù)據(jù)傳輸模式下的數(shù)據(jù)總線D[7…0>和通用 主控制器分別完成流數(shù)據(jù)傳輸和控制狀態(tài)信息傳輸?shù)墓δ?，需要在芯片?051核中編寫程序，對AN2135SC芯片內(nèi)部相關(guān)的專用寄存器進行配置^[3>。