基于Spartan-6的高速數(shù)據(jù)采集、處理和實時傳輸研究

擇一種最佳的設(shè)計方案。表 1為不同抽取倍數(shù)下的帶寬和混疊衰減規(guī)格：

　　最后確定選擇CIC2濾波器抽取倍數(shù)為15，CIC5抽取倍數(shù)為2，RCF抽取倍數(shù)為2就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

　　3.2.3 可變系數(shù)RCF濾波器參數(shù)設(shè)置

　　根據(jù)2.2.1節(jié)設(shè)計得到的RCF抽取倍數(shù)為30，可以根據(jù)式來計算得到抽取濾波器的抽頭數(shù)為150。

　　其中，為60MHz，為15，為CIC5濾波器抽取降速后的頻率也即2MHz，當(dāng)輸入通道模式時單通道實模式時為1。對可變系數(shù)的RCF濾波器進行編程設(shè)置時需要先向地址0x30C寫入整數(shù) 149(=59)。然后濾波器的響應(yīng)逐一寫入到地址0x000~0xFF中。這樣就完成了RCF寄存器的編程設(shè)置。

　　3.2.4 AD6620工作模式寄存器編程

　　對頻率變換單元、固定系數(shù)的CIC2和CIC5以及RCF濾波器變化進行編程設(shè)置后，要使AD6620正常工作還需要對其工作方式和相關(guān)寄存器進行配置。AD6620的工作方式主要由地址0x300H的寄存器中低四位決定，其中，bit0=1時系統(tǒng)處于軟復(fù)位狀態(tài)，bit0=0則處于正常狀態(tài);bit1=1時系統(tǒng)處于雙通道實數(shù)輸入模式;bit2=1時系統(tǒng)處于單通道復(fù)數(shù)輸入模式;如果bit0~bit2都是0，那么系統(tǒng)處于單通道實數(shù)輸入模式;bit3=1/0為時鐘主從工作模式。因此，當(dāng)各寄存器配置完成后需要將寄存器bit0拉低，也即置為0狀態(tài)使其脫離軟復(fù)位狀態(tài)，進入正常工作模式。另外，在本文中AD6620讀寫內(nèi)部寄存器是采用的異步讀寫時序，數(shù)據(jù)輸出是并行16位輸出模式。　　總的來說，采用FPGA實現(xiàn)AD6620初始化的過程如下：

　　1)首先判斷AD6620有沒有經(jīng)過硬件復(fù)位，如果沒有經(jīng)過硬件復(fù)位而又要實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，那么可以通過程序去編程地址0x300H的寄存器的bit0位置為1，使得AD6620處于軟件復(fù)位狀態(tài)，這樣就可以對非動態(tài)的寄存器進行相關(guān)編程;

　　2)對NCO單元、CIC2、CIC5濾波器的抽取倍數(shù)和系數(shù)進行編程，將相應(yīng)的控制系數(shù)寫入相對應(yīng)的地址寄存器中;

　　3)對RCF濾波器系數(shù)進行編程，分別向地址0x000H~0xFF中寫入這150個抽頭系數(shù)，剩下的寫入0。

　　4)對AD6620所有配置工作完成后，必須向地址0x300H的bit0寫入0，使其脫離軟復(fù)位狀態(tài)，這樣AD6620才可以在所配置工作方式下對輸入的數(shù)據(jù)進行處理?！　?/p>

　　4.實時數(shù)據(jù)傳輸模塊

　　基于USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計主要包括以下幾個部分：(1)基于EZ-USB FX2的硬件電路設(shè)計(2)EZ-USB FX2系列器件CY7C68013A的固件程序(設(shè)置CY7C68013A工作模式、傳輸方式等，需要對其內(nèi)部寄存器進行相關(guān)配置)，主要通過Keil C51軟件進行開發(fā)。

　　4.1 實時數(shù)據(jù)傳輸部分的硬件設(shè)計

　　實時數(shù)據(jù)傳輸部分(USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸)的硬件設(shè)計方案如圖10所示，USB模塊與FPGA間的連線如圖11所示。

　　在高速數(shù)據(jù)傳輸部分采用了Cypress公司的EZ-USB FX2 CY7C68013A芯片，采用單片USB 2.0外設(shè)可以避免用FPGA直接實現(xiàn)USB通信協(xié)議時可靠性低的問題。在數(shù)據(jù)采集、傳輸以及測試過程中，CY7C68013A作為從機，負責(zé)將FPGA發(fā)送給它的基帶數(shù)據(jù)，利用其16位SLAVE FIFO(關(guān)于SLAVE FIFO的傳輸示意圖如圖所示)將數(shù)據(jù)緩沖發(fā)送給上位機。在SLAVE FIFO數(shù)據(jù)傳輸中，上位機應(yīng)用程序、固件程序和FPGA程序都非常關(guān)鍵，要配合好才能完成數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)傳輸。在這個系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA起著主控制器作用，CY7C68013A則相當(dāng)于一個從設(shè)備。具體的工作流程是：FPGA把接收過來的16位數(shù)字基帶信號發(fā)送給CY7C68013A，CY7C68013A以SLAVE FIFO的方式將這些數(shù)據(jù)緩沖，并以批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給上位機，上位機接收到這些數(shù)據(jù)后加以存儲和顯示。

　　4.2 CY7C68013A的固件程序設(shè)計

　　固件程序是指運行在設(shè)備CPU中的程序，只有在該程序運行時，外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備。固件程序負責(zé)初始化單元，重新設(shè)置設(shè)備。主要包括設(shè)備描述符信息、設(shè)備功能代碼。設(shè)備描述信息描述USB設(shè)備的一半特性和配置，如設(shè)備類別、接口配置、VID和PID等。主機在設(shè)備列舉時要獲取USB設(shè)備的描述符，從而獲得設(shè)備的配置信息和相關(guān)驅(qū)動信息。用戶可以通過修改固件中的描述符來改變設(shè)備的特性。設(shè)備功能代碼有設(shè)備的功能需求決定。通信控制功能代碼執(zhí)行主機請求分析處理和數(shù)據(jù)交換處理功能。

　　采用ARM公司的Keil C51 uVision4.02開發(fā)CY7C68013A的固件程序。為了簡化固件編程，CYPRESS提供了固件編程框架，在此基礎(chǔ)上添加我們所需要的配置代碼即可完成軟件編程?！　?/p>

　　復(fù)位上電時，固件先初始化一些全局變量，然后調(diào)用初始化函數(shù)ID_Init(),初始化設(shè)備一直到?jīng)]有配置的狀態(tài)和打開中斷，循環(huán)1s后枚舉，直到端點0接收到SETUP包退出循環(huán)，進入循環(huán)語句while，執(zhí)行任務(wù)函數(shù)，函數(shù)包括：

　　(a)TD_POLL()用戶任務(wù)調(diào)度函數(shù);

　　(b)如果發(fā)現(xiàn)USB設(shè)備請求，則執(zhí)行對應(yīng)的USB請求;

　　(c)如果發(fā)現(xiàn)USB空閑置位，則調(diào)用TD_Suspend()這個掛起函數(shù)，調(diào)用成功后則內(nèi)核掛起，直到出現(xiàn)USB遠程喚醒信號，調(diào)用TD_Resume()，內(nèi)核喚醒后重新進入while循環(huán)。

　　固件框架程序需要以下幾個文件：

　　(1)FX2.h：庫函數(shù)申明，以及變量、宏定義、數(shù)據(jù)類型定義;

　　(2)Fxregs.h：FX2LP寄存器頭文件;

　　(3)Fw.c：固件框架源文件;

　　(4)Periph.c：用戶調(diào)度函數(shù)、用戶可以修改，在不同的應(yīng)用中文件名不一樣;

　　(5)Dscr.a51：USB描述符列表，用戶可以修改;

　　(6)Ezusb.lib：EZUSB庫文件;

　　(7)USBJmpTb.OBJ：中斷跳轉(zhuǎn)函數(shù)目標(biāo)文件

　　這種情況下，需要在固件程序中，進行相應(yīng)的修改。在SLAVE FIFO中，特別是自動傳輸(CY7C68013A單片機不干預(yù)數(shù)據(jù)傳輸)，固件程序主要完成各個端口的初始化。因此我們要修改兩個地方：(1)USB設(shè)備描述符列表Dscr.a51，根據(jù)實際情況修改里面的端口數(shù)和傳輸方式等;(2)初始化函數(shù)void TD_Init(void)。在SLAVE FIFO這種方式下，設(shè)置EP2為4緩沖的輸出端口，EP6為4緩沖的輸入端口。

　　5. 上位機軟件設(shè)計

　　上位機應(yīng)用程序是系統(tǒng)與用戶之間交流的接口，它通過通用驅(qū)動程序完成對外設(shè)的控制和通信。主機端應(yīng)用程序負責(zé)向FX2的FIFO發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。本報告中采用的固件架構(gòu)是EZ-USB FX2/FX2LP(CY7C68013, 驅(qū)動程序是Cyusb.sys。用Visual Studio2008軟件進行上位機開發(fā)，利用C++/MFC來開發(fā)基于對話框的應(yīng)用程序，系統(tǒng)的主要功能模塊有：打開USB設(shè)備、復(fù)位USB設(shè)備、系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試與顯示等。

　　在VS2008中建立一個MFC 單文檔/對話框應(yīng)用程序后，在路徑項目中包含頭文件cyapi.h和cyapi.lib所在的路徑。然后手動導(dǎo)入cyapi.lib，注意是CV6_7的lib，不要導(dǎo)入BCB的。

　　開發(fā)USB應(yīng)用程序的一般工作流程如下。

　　1)首先要創(chuàng)建一個USB設(shè)備對象

　　CCyUSBDevice *USBDevice = new CCyUSBDev(Handle);括號中的Handle是USB所關(guān)聯(lián)對象的句柄，一般在MFC中直接就是m_hwnd。

　　2)打開USB設(shè)備。

　　可以用到兩個函數(shù)open();isopen()這兩個都可以用來打開USB設(shè)備，isopen()還可以判斷能否獲得USB設(shè)備句柄，一般來說，如果只有一個USB設(shè)備連接，可以這樣打開：

　　USBDevice->open(0)//打開0號USB設(shè)備;如果要判斷，可以：

　　if(!USBDevice->open(0)) //打開失敗

　　{messagebox("USB未連接");}

　　或者if(!USBDevice->Isopen())

　　如果連接有多個USB設(shè)備，那么可以枚舉所有的USB，用到DeviceCount()函數(shù);具體的可以參考cybulk的例子。執(zhí)行USBDevice->DeviceCount()后，返回所連接的USB設(shè)備個數(shù)：

　　if (USBDevice->DeviceCount()) //保證至少有一個USB設(shè)備連接

　　{

　　for (i = 0; i DeviceCount(); i++) //枚舉所有USB設(shè)備

　　{

　　USBDevice->Open(i);//打開第i號USB設(shè)備

　　m_DeviceListComBox.AddString(USBDevice->DeviceName);//所選擇的當(dāng)前設(shè)備名}

　　}

　　3)端點枚舉

　　在cybulk的例子中介紹了如何枚舉固件中使用的所有端點，也就是使用多個端點的情況，其枚舉步驟主要包括一下幾個端點：

　　(1)創(chuàng)建USB設(shè)備并打開該設(shè)備

　　CCyUSBDevice *USBDevice=new CCyUSBDevice(m_hWnd);//USB設(shè)備USBDevice->Open(0);//打開0號USB設(shè)備。

　　(2)獲取所用的端點數(shù)目

　　intepts = USBDevice->EndPointCount();

　　EndPointCount();函數(shù)返回當(dāng)前所用的端點數(shù)+1，也就是包含了控制端點。例如在固件接口描述符Interface Descriptor中設(shè)置Number of end points項(第5項)的值為4，則epts的值為4+1=5。

　　(3)定義端點指針

　　CCyUSBEndPoint *endpt;CCyUSBEndPoint建立一個端點對象，可建立所有的端點類型，控制端點，bulk端點，ISO端點等;

　　(4)枚舉端點，并獲得其屬性：端點號，傳輸方向

　　for (i=1; i

　　{

　　endpt = USBDevice->EndPoints[i];//EndPoints-端點列表，最大16.EndPoints[0]指向控制端點(CCyControlEndPoint)，未使用的端點設(shè)置為NULL。

　　if (endpt->Attributes == 2) // Bulk Attributes 判斷傳輸類型bulk，control，等。

　　{

　　sprintf(s, "0x%02x", endpt->Address);

　　if (endpt->Address & 0x80) //Address--判斷傳輸方向in or out 0x8_-in;0x0_-out

　　{

　　m_InEndptComBox.AddString(s); //最高位為8，in端點，添加到in組合框m_InEndptComBox.SetItemData(m_InEndptComBox.GetCount()-1,i);

　　else

　　{

　　m_OutEndptComBox.AddString(s); //否則，最高位為0，out端點，添加到out組合框m_OutEndptComBox.SetItemData(m_OutEndptComBox.GetCount()-1,i);

　　}}}　　這樣，就完成了某個具體端點的選擇。如果只需要使用一個端點的話，那上面的代碼無疑就顯得冗長不夠簡潔了。僅使用一個端點，可以使用EndPointOf()函數(shù)，該函數(shù)直接使用指定的端點，返回其指針;例如，要使用端點2，in傳輸，那么，可以這樣：

　　CCyUSBDevice *USBDevice=new CCyUSBDevice(m_hWnd); //USB設(shè)備

USBDevice->Open(0); //打