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基于USB2.0的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：介紹基于USB2.0協(xié)議、最多可四路同步采樣的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其單通道采樣速度620ksps，四通道同時(shí)采樣速度可達(dá)180ksps。USB接口控制及通信芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013，通過(guò)對(duì)其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部FIFO的有效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采樣。ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）總線是ＩＮＴＥＬ、ＮＥＣ、ＭＩＣＲＯＳＯＦＴ、ＩＢＭ等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線接口規(guī)范。為了適應(yīng)高速傳輸?shù)男枰�，２０００年４月，這些公司在原１．１協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂了ＵＳＢ２．０傳輸協(xié)議，已超過(guò)了目前ＩＥＥＥ１３９４接口４００Ｍｂｐｓ的傳輸速度，達(dá)到了４８０Ｍｂｐｓ。ＵＳＢ總線使用簡(jiǎn)單，支持即插即用ＰｎＰ（Ｐｌｕｇ Ａｎｄ Ｐｌａｙ），一臺(tái)主機(jī)可串連１２７個(gè)ＵＳＢ設(shè)備。設(shè)備與主機(jī)之間通過(guò)輕便、柔性好的ＵＳＢ線纜連接，最長(zhǎng)可達(dá)５ｍ，使設(shè)備具有移動(dòng)性，可自由掛接在具有ＵＳＢ接口的運(yùn)行在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／ＮＴ平臺(tái)的ＰＣ機(jī)上。ＵＳＢ總線已被越來(lái)越多的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和用戶自定義外設(shè)所使用，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、掃描儀、音箱等。
筆者結(jié)合設(shè)備檢測(cè)中數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了該高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)最多可四路同步采樣，單通道采樣速度可達(dá)６２０ｋｓｐｓ，四通道同時(shí)采樣速度可達(dá)１８０ｋｓｐｓ。ＵＳＢ接口控制芯片采用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司ＦＸ２系列中的ＣＹ７Ｃ６８０１３，通過(guò)對(duì)其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部ＦＩＦＯ的有效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采樣和傳輸。
１ 基本原理
該采集系統(tǒng)總體框架分三部分：主機(jī)（能支持ＵＳＢ２．０協(xié)議的ＰＣ機(jī)）、內(nèi)部包含ＣＰＵ及高速緩存的ＵＳＢ接口控制芯片（ＣＹ７Ｃ６８０１３）和高速同步采樣芯片（ＭＡＸ１１５），如圖１所示。其數(shù)據(jù)傳輸分兩部分：控制信號(hào)傳輸和采集數(shù)據(jù)傳輸。控制信號(hào)方向?yàn)橛芍鳈C(jī)到外設(shè)，由外設(shè)ＣＰＵ控制，數(shù)據(jù)量較��；采集到的數(shù)據(jù)由外設(shè)到主機(jī)，數(shù)據(jù)量較大。為了保證較高的傳輸速度，不經(jīng)過(guò)ＣＰＵ。系統(tǒng)基本操作過(guò)程為：主機(jī)給外設(shè)一個(gè)采樣控制信號(hào)，ＦＸ２根據(jù)該信號(hào)向Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器送出相應(yīng)控制信號(hào)，即采樣模式控制字；之后由Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器自主控制轉(zhuǎn)換，并將各通道采樣數(shù)據(jù)存入其片內(nèi)緩存。一旦轉(zhuǎn)換完成，由Ａ／Ｄ的完成位向ＦＸ２的可編程控制接口發(fā)讀采樣結(jié)果信號(hào)；然后由可編程接口的控制邏輯依次將各通道采樣結(jié)果從Ａ／Ｄ的緩存讀入ＦＸ２的內(nèi)部ＦＩＦＯ。當(dāng)ＦＩＦＯ容量達(dá)到指定程度后，自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包傳送給ＵＳＢ總線。期間所有操作不需要ＣＰＵ的干預(yù)。采樣過(guò)程中接口控制邏輯依次取走批量數(shù)據(jù)，在打包傳送時(shí)Ａ／Ｄ仍持續(xù)轉(zhuǎn)換，內(nèi)部ＦＩＦＯ也持續(xù)寫(xiě)入轉(zhuǎn)換結(jié)果。只要內(nèi)部ＦＩＦＯ寫(xiě)指針和讀指針位置相差達(dá)到指定的值就立即取走數(shù)據(jù)。從而保證了同步連續(xù)高速采集的可靠性。
２ 硬件部分
２．１ 芯片介紹
ＣＹ７Ｃ６８０１３屬于Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＦＸ２系列產(chǎn)品，它提供了對(duì)ＵＳＢ２．０的完整解決方案。該芯片包括帶８ＫＢ片內(nèi)ＲＡＭ的高速ＣＰＵ、１６位并行地址總線＋８位數(shù)據(jù)總線、Ｉ２Ｃ總線、４ＫＢ ＦＩＦＯ存儲(chǔ)器以及通用可編程接口（ＧＰＩＦ）、串行接口引擎（ＳＩＥ）和ＵＳＢ２．０收發(fā)器。在代碼的編寫(xiě)上，與８０５１系列單片機(jī)兼容，且速度是標(biāo)準(zhǔn)８０５１的３～５倍。
ＣＹ７Ｃ６８０１３與外設(shè)有兩種接口方式：可編程接口ＧＰＩＦ和Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ。
可編程接口ＧＰＩＦ是主機(jī)方式，可以由軟件設(shè)置讀寫(xiě)控制波形，靈活性很大，幾乎可以對(duì)任何８／１６ ｂｉｔ接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫(xiě)，使用非常靈活。Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ方式是從機(jī)方式，外部控制器可象對(duì)普通ＦＩＦＯ一樣對(duì)ＦＸ２的多層緩沖ＦＩＦＯ進(jìn)行讀寫(xiě)。ＦＸ２的Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ工作方式可設(shè)為同步或異步；工作時(shí)鐘為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入可選；其它控制信號(hào)也可靈活地設(shè)置為高有效或低有效。筆者在設(shè)計(jì)中采用主機(jī)方式。
ＭＡＸ１１５是美信公司的高速多通道同步采樣芯片。含有兩組４路同步通道，共８?jìng)�(gè)輸入端。采樣精度為１２位，采樣模式由采樣控制字決定，可靈活地在兩組中的１～４個(gè)通道間選擇。采樣時(shí)，各通道轉(zhuǎn)換結(jié)果先存入其內(nèi)部相對(duì)應(yīng)的４個(gè)１２ｂｉｔ存儲(chǔ)單元，各通道都轉(zhuǎn)換完后再一起取走。
２．２ 電路原理及設(shè)計(jì)
考慮ＣＹ７Ｃ６８０１３與ＭＡＸ１１５接口時(shí)，采樣模式不同，控制波形有所差別，筆者選擇主機(jī)方式即可編程控制接口（ＧＰＩＦ）。
ＧＰＩＦ是ＦＸ２端點(diǎn)ＦＩＦＯ的內(nèi)部控制器。在這種方式下，接口內(nèi)核可產(chǎn)生６個(gè)控制輸出端（ＣＴＬ０～ＣＴＬ５）和９根線的地址（ＧＡＤＲ[８:０])輸出，同時(shí)可以接收６個(gè)外部輸入(ＲＤＹ０～ＲＤＹ５)和２個(gè)內(nèi)部輸入。ＦＸ２有４個(gè)波形描述符控制各個(gè)狀態(tài)。這些波形描述符可以動(dòng)態(tài)地配置給任何一個(gè)端點(diǎn)ＦＩＦＯ。例如，一個(gè)波形描述符可以配置為寫(xiě)ＦＩＦＯ，而另一個(gè)配置為讀ＦＩＦＯ。ＦＸ２的固件程序可以把這些描述符配置給四個(gè)ＦＩＦＯ中的任意一個(gè)，配置后，ＧＰＩＦ將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯和握手信號(hào)給外界接口，滿足向ＦＩＦＯ讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的需要。ＧＰＩＦ的數(shù)據(jù)總線既可以是單字節(jié)寬（８位ＦＤ[７:０]）也可以是雙字節(jié)寬（１６位ＦＤ[１５:０]）。每個(gè)波形描述符包含了Ｓ０～Ｓ６ 七個(gè)有效狀態(tài)和一個(gè)空閑狀態(tài)。在每個(gè)有效狀態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間段里，經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置，ＧＰＩＦ可以做以下幾件事情：（１）驅(qū)動(dòng)（使為高或低）或懸浮６個(gè)輸出控制端；（２）采樣或驅(qū)動(dòng)ＦＩＦＯ的數(shù)據(jù)總線；（３）增加ＧＰＩＦ地址總線的值；（４）增加指向當(dāng)前ＦＩＦＯ指針的值；（５）啟動(dòng)ＧＰＦＩＷＦ(波形描述符)中斷。除此之外，在每個(gè)狀態(tài)，ＧＰＩＦ可以對(duì)以下幾個(gè)信號(hào)中任意兩個(gè)進(jìn)行采樣，它們是：（１）ＲＤＹＸ輸入端；（２）ＦＩＦＯ狀態(tài)標(biāo)志位；（３）內(nèi)部ＲＤＹ標(biāo)志位；（４）傳輸計(jì)數(shù)中止標(biāo)志位。把其中兩個(gè)信號(hào)相與、相或或者相異或，根據(jù)
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