基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要：基于FPGA和USB2．0的技術方案，設計了一種高速化和集成化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以Altera公司的FPGA芯片EP2C5T144為主控芯片，以Cypress公司的EZ-USB FX2芯片為傳輸手段設計實現(xiàn)的。首先詳細介紹了整體系統(tǒng)的框架結構和硬件接口電路，其次，在硬件平臺完成的基礎上采用Verilog HDL硬件描述語言設計完成了FPGA控制接口電路的代碼，并設計完成了USB2．0的固件程序。最終通過軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)完成了系統(tǒng)測試，該測試結果表明整個系統(tǒng)功能正確，能夠完成一般情況下數(shù)據(jù)采集的任務需求。
關鍵詞：FPGA；USB2．0；數(shù)據(jù)采集；CY7C68013A；ModelSim

隨著嵌入式技術的飛速發(fā)展，對嵌入式系統(tǒng)的應用需求也呈現(xiàn)出不斷增長的態(tài)勢，因此，嵌入式技術也相應地取得了重要的進展，系統(tǒng)設備不斷向高速化、集成化、低功耗的方向發(fā)展。現(xiàn)場可編程門陣列FPGA經(jīng)過近20年的發(fā)展，到目前已成為實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的主流平臺之一。 FPGA具有單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢，相對于單片機和DSP工作需要依靠其上運行的軟件進行，F(xiàn)PGA全部的控制邏輯是由延時更小的硬件來完成的。
通用串行總線(USB)是現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢，是解決計算機與外設連接瓶頸的有效手段，USB2．O版本在原先的版本基礎上實現(xiàn)許多技術上的飛躍與進步。USB2．0協(xié)議規(guī)范有以下主要優(yōu)點：1)速度快，接口的傳輸速度高達480Mh／s，遠大于PCI接口的132 Mb／s的傳輸速度；2)連接簡單，所有的USB外設利用通用的電纜可簡單方便地連入PC機中，安裝過程高度自動化；3)支持多設備連接，USB接口支持多個不同設備采用“級聯(lián)”方式來連接外設。
故為了將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計更加符合高速化和集成化的趨勢，采用了FPGA和USB2．0組合的方案來進行。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框架與硬件設計方案
系統(tǒng)硬件設計部分中，在完成系統(tǒng)時鐘源、電源等必要電路的設計基礎上，重點就是完成系統(tǒng)內(nèi)各個部件的接口電路的設計，通過這部分的設計，基本的硬件平臺就建立起來了。系統(tǒng)部件間的硬件電路接口設計如圖1所示。

A／D芯片在此選用了德州儀器公司的10位串行接口芯片TLV1572，8管腳的SOIC封裝，它外部較少的管腳不僅能夠很方便地實現(xiàn)與其他器件連接，而且它體積小，可以節(jié)省很多布線資源，如圖2所示。TLV1572的最高采樣速率為1．25 MS／s，其積分非線性誤差INL±1LSB，可以采用3 V或5 V的供電方式。

由于大部分USB1．1的芯片都需要微控制器參與數(shù)據(jù)從端點FIFO到應用環(huán)境的轉(zhuǎn)移，微控制器在里面扮演了搬運者的角色，那么顯然微控制器本身的工作頻率就極大地限制了數(shù)據(jù)傳輸帶寬的進一步提高，微控制器將成為制約整個系統(tǒng)速度提高的瓶頸。
故在此選用的是Cypress Semiconductor公司的EZ-USBFX2(CY7C68013A)USB2．0芯片，它集成了USB2．0收發(fā)器，串行接口引擎SIE和可編程的外圍接口。該芯片的另一大優(yōu)點就是提供了一種獨特架構，使USB接口和應用環(huán)境直接共享Slave FIFOs，微控制器無需參與數(shù)據(jù)傳輸，這樣就極大地提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率，如圖3所示。

由于FPGA的I／O管腳數(shù)目眾多，它在和A／D芯片及USB2．0芯片相連時，能夠按照優(yōu)化布線資源的方式進行PCB布局設計，具體的連接方法在圖1中已經(jīng)給出。