Niosll和USB接口的高速数据采集卡设计

　　自定制的Avalon外设按照对总线操作的方式可分为：Avalon Slave外设和Avalon Streaming Slave(流模式)外设。在SOPC Builder图形设计界面下添加需要的内核。通过自动分配系统基地址和系统中断向量，手动分配CPU复位地址为外设Flash、CPU溢出地址为片上RAM和CPU调试断点地址为JTAG调试地址，就可由系统报告得知系统是否定制成功，如图5所示。

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　　2．3 ADC芯片及外围电路设计

　　ADC外围电路框图如图6所示。

　　信号调理部分选用高精度、低噪声、低输入偏置电流、宽带运算场效应放大器AD8ll进行信号的放大。模拟信号处理是影响系统性能的重要因素之一，设计时必须考虑两个方面：一是要保证信号质量，提高信噪比，尽量减少畸变；二是将信号变换成适合A／D处理的幅度并提供足够的驱动能力。这里选用ADI公司的宽带运放AD811为放大器。AD8ll是一种电流反馈型的放大器，它具有10 MHz的低失真和单位增益带宽很宽的特点，使AD81l成为理想的高分辨率ADC缓冲器。之后针对信号进行档速变换。档速变换选用ADG系列产品。本设计选用的是一款四路独立选择的单片CMOS开关芯片，其设计基于增强的lc2mos进程、可以提供低功耗、高转换速度和低阻抗性，当信号满足A／D变换的要求后，根据采集要求将其由单端输入变换为差分的双端输出，芯片选用AD8138。AD8138具有较宽的模拟带宽(320 MHz，一3dB，增益为1)，可以将单端输入变成差分输出。A／D转换的触发则由信号放大芯片AD811采集信号和D／A转换芯片信号进行比较，当有效时，发出ADn_TRIG信号，其中D／A转换芯片的输入标准信号(数字输入端)由FPGA来提供。当ADn_TRIG有效时，FPGA向AD924．4发出控制命令(DIN、FORMAT、MODE、SCLK、sYNC、FSYNC信号)，启动A／D转换。

　　A／D转换器的精密时钟由DDS电路AD9859YSV提供。

　　3 软件设计及实现

　　系统软件设计包括3部分：固件程序、USB设备驱动程序和应用程序。整个软件实现的功能包括系统初始化、采样控制、数据传输和波形显示。

　　3．1 固件程序设计

　　固件程序辅助硬件实现设备双向交换数据，以完成USB通信，其主要功能是：接收并处理USB驱动程序的请求及应用程序的控制指令，控制A／D转换器的采样。当首次插入USB时，FX2通过USB电缆会自动枚举且下载固件和USB描述符表；接下来，FX2再次枚举，这次主要通过下载的信息来定义设备。这两个步骤叫作重枚举。固件程序流程如图7所示。初始化包含各个初值的设置和关键点的电平检测。

　　在Cypress公司的网站上，可下载CY7(368013芯片的开发工具包。该开发包提供了一些开发固件程序所需的资源：Keil u Vision2集成开发环境(限制版)、Cypress C51固件框架程序以及一些例子程序。KeilCSl是一种专为8051单片机设计的高效率C语言编译器，符合ANSI标准，生成的程序代码运行速度极高，所需要的存储空间极小，完全可与汇编语言相媲美。同时，C51具有丰富的库函数，多达1O0多种功能函数。因此，采用C语言作为开发语言，以Keil uVision2作为工程开发平台，完成源代码的编写、仿真、调试，将在相当程度上降低固件开发难度，提高开发效率。[page]

　　3．2 USB设备驱动设计

　　USB设备驱动程序的设计是基于WDM(WindowsDriver Model，驱动程序模型)的。WDM采用分层驱动程序模型，分为较高级的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由两部分组成：较高级的通用串行总线模块(us—BD)和较低级的主控制器驱动程序模块(HCD)。

　　本设计用WinDK3．O开发了Win2000下的驱动程序，实现了控制传输、中断传输和批传输的标准接口函数。在应用程序开发中，可用VC++编制应用程序。把USB设备当成文件来操作，用Create—File得到USB句柄，用DevieeloControl来进行控制传输，用ReadFile、WriteFile进行批量传输。

　　3．3 应用程序设计

　　应用程序流程如图8所示。用户应用程序是数据采集系统的核心，其主要功能为：开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输管道、设置A／D状态和数据采集端口、实时从USB接口采集数据、显示并分析数据。

　　4 结 论

　　用FPGA作为采集处理部分，可以提高系统处理的速度，大大增强系统的灵活性和适应性。FPGA技术和USB的组合，使得数据处理能力得到了极大的提高，且有利于系统升级。USB芯片采用了Cpyress公司的高性能USB2．0芯片CY7C68013，可以完全胜任大数据量的传送。该实例还可应用于实时数据采集、音频及压缩视频数据传输等领域。