基于USB2.0技術(shù)的高速雙路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
1.引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/194663.htm近年來,USB接口由于其傳輸速率高,真正的即插即用等優(yōu)點(diǎn)正在逐漸取代傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口如:RS232,EPP等。目前,許多的芯片生產(chǎn)商都推出了符合USB協(xié)議的芯片,如Philips公司的PDIUSBD12,NS公司的USBN9602等。在眾多的USB2.0芯片中,Cypress公司的EZ-USB FX2(CY7C68013)芯片是一個不錯的選擇。本文設(shè)計(jì)了一種基于EZ-USB FX2和MAX1195的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)符合USB2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),通過與高精度激光縱模分析儀連接進(jìn)行調(diào)試,證明該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定目的。
2. CY7C68013芯片和MAX1195芯片介紹
2.1 CY7C68013介紹:
CY7C68013在一塊芯片上同時集成了USB2.0收發(fā)器,串行接口引擎SIE,增強(qiáng)型的8051微控制器以及一個可編程外圍接口GPIF(General Programmable Interface)。CY7C68013的“量子FIFO”(FIFO,先進(jìn)先出存儲器)特性使得無需8051CPU的任何干預(yù),數(shù)據(jù)即可從外設(shè)上傳到主機(jī),這種數(shù)據(jù)傳輸模式徹底解決了USB2.0收發(fā)器與一般8051微控制器連接時由于8051的時鐘頻率低而導(dǎo)致的傳輸速率瓶頸問題。CY7C68013芯片的另一個突出優(yōu)點(diǎn)是其“‘軟’配置”,代碼和數(shù)據(jù)能夠直接通過USB接口下載到片內(nèi)的RAM上,這一功能通過Cypress公司獨(dú)創(chuàng)的“重枚舉”(ReNumerationTM)功能實(shí)現(xiàn)。CY7C68013芯片有四個可編程的批量、中斷、同步傳輸端點(diǎn),可以分別設(shè)置為雙緩沖,三緩沖和四緩沖模式,8位或者16位的外部數(shù)據(jù)接口,該接口可以根據(jù)需要工作在 GPIF或者SLAVEFIFO模式。其中GPIF能夠和絕大部分并行接口如FIFO等實(shí)現(xiàn)“無膠”連接,即無需外加任何微控制器或CPLD、FPGA 等。本文的設(shè)計(jì)中采用了GPIF方式。
2.2 MAX1195介紹:
MAX1195是由MAXIM公司推出的一款低功耗、雙路、高速、八位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,采用流水線(Pipeline)結(jié)構(gòu),最高采樣率40Mbps,內(nèi)部集成了兩個 ADC,真正實(shí)現(xiàn)兩路同步采樣轉(zhuǎn)換。其工作電壓范圍是2.7V-3.6V,具有減小功耗的休眠模式和關(guān)斷(Shut-Down)模式,單端或者差分輸入方式,片上采樣保持(T/H)電路,內(nèi)部或者外部參考電壓,含有用戶可選擇的數(shù)據(jù)輸出格式:二的補(bǔ)碼格式或者補(bǔ)償二進(jìn)制碼格式,具有輸出使能控制,可以將輸出置為高阻態(tài)。此外MAXIM還提供了與MAX1195引腳、封裝完全兼容的10位、更高采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,如MAX1197、MAX1198等,因此系統(tǒng)升級非常方便。在本文的工作中,采用了內(nèi)部參考電壓、雙路單端模擬輸入、補(bǔ)償二進(jìn)制碼輸出格式。
3.系統(tǒng)整體構(gòu)成及其工作原理介紹:
3.1系統(tǒng)構(gòu)成:
系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)主要包括USB傳輸芯片CY7C68013,先進(jìn)先出存儲器(FIFO)SN74V235和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX1195組成。反相器74LVC04主要起MAX1195和FIFO之間的邏輯控制作用。
圖1 系統(tǒng)整體框圖
3.2系統(tǒng)工作原理:
MAX1195的兩路輸入信號是同時被采樣的,十六位的數(shù)據(jù)輸出總線使兩路數(shù)據(jù)可以同時輸出,分別占八位,即:D0A~D7A和D0B~D7B;SN74V235輸入為18位,根據(jù)CMOS技術(shù)的要求,將未使用的D16和D17引腳接地。MAX1195采集到的數(shù)據(jù)首先送進(jìn)FIFO里, FIFO的寫時鐘(WCLK)和AD的轉(zhuǎn)換時鐘反相,這樣可以充分滿足MAX1195輸出數(shù)據(jù)的建立時間,避免發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)重復(fù)寫入現(xiàn)象。 SN74V235的 (Programmable Almost Full)可編程幾乎滿信號經(jīng)74LVC04反相后接MAX1195的Sleep和 引腳,以免FIFO發(fā)生溢出而丟失數(shù)據(jù)。SN74V235的數(shù)據(jù)輸出引腳Q0~Q15與CY7C68013的GPIF模式下的數(shù)據(jù)線FD[15:0]即端口B和端口D組成的十六位數(shù)據(jù)總線相連,數(shù)據(jù)SN74V235到EZ-USB FX2的時序過程由CY7C68013的GPIF 控制。FX2采用了“量子FIFO”結(jié)構(gòu),在FX2里面,數(shù)據(jù)可以分為兩個域:USB域和GPIF接口域。這兩個域是獨(dú)立的,允許分別使用不同的時鐘和邏輯控制數(shù)據(jù)的傳輸,USB域是由SIE控制的,SIE通過USB口接收或者發(fā)送端點(diǎn)FIFO的數(shù)據(jù)。FX2的“量子FIFO”能夠幾乎不花時間在這兩個數(shù)據(jù)域中的轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù),因?yàn)檫@兩個域用的FIFO在物理上是同一個。所以根據(jù)“量子FIFO”原理,實(shí)際上數(shù)據(jù)已經(jīng)存在于屬于USB域的端點(diǎn)FIFO里面了,采用USB的BULK傳輸方式,使該數(shù)據(jù)完全不經(jīng)過低頻CPU干預(yù),而是采用FX2提供的AutoIn模式,即一旦FX2端點(diǎn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)達(dá)到指定字節(jié)數(shù),數(shù)據(jù)將自動被打包從USB口上傳到主機(jī)。
3.3 GPIF波形及程序介紹:
GPIF是FX2的端點(diǎn)FIFO的片內(nèi)控制器,可以完全代替片外的控制器而實(shí)現(xiàn)FX2與外圍FIFO的“無膠”連接。GPIF的核心是一個可編程狀態(tài)機(jī),可以產(chǎn)生六個“控制”(CTL)和九個“地址”(GPIFADR[8:0])信號,可以接收六個外部(RDY)“準(zhǔn)備好”輸入,八位或者十六位數(shù)據(jù)總線,時鐘可以用FX2的IFCLK,也可以由外圍提供。本文GPIF接口的詳細(xì)硬件連接如圖2所示。
圖2 GPIF與SN74V235詳細(xì)連接圖
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