基于USB2.0总线的高速数据采集系统设计

ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）总线是ＩＮＴＥＬ、ＮＥＣ、ＭＩＣＲＯＳＯＦＴ、ＩＢＭ等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范。为了适应高速传输的需要，２０００年４月，这些公司在原１．１协议的基础上制订了ＵＳＢ２．０传输协议，已超过了目前ＩＥＥＥ１３９４接口４００Ｍｂｐｓ的传输速度，达到了４８０Ｍｂｐｓ。ＵＳＢ总线使用简单，支持即插即用ＰｎＰ（Ｐｌｕｇ Ａｎｄ Ｐｌａｙ），一台主机可串连１２７个ＵＳＢ设备。设备与主机之间通过轻便、柔性好的ＵＳＢ线缆连接，最长可达５ｍ，使设备具有移动性，可自由挂接在具有ＵＳＢ接口的运行在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／ＮＴ平台的ＰＣ机上。ＵＳＢ总线已被越来越多的标准外设和用户自定义外设所使用，如鼠标、键盘、扫描仪、音箱等。

笔者结合设备检测中数据采集的实际需要，设计了该高速同步数据采集系统。该系统最多可四路同步采样，单通道采样速度可达６２０ｋｓｐｓ，四通道同时采样速度可达１８０ｋｓｐｓ。ＵＳＢ接口控制芯片采用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司ＦＸ２系列中的ＣＹ７Ｃ６８０１３，通过对其可编程接口控制逻辑的合理设计和芯片内部ＦＩＦＯ的有效运用，实现了数据的高速连续采样和传输。

１ 基本原理

该采集系统总体框架分三部分：主机（能支持ＵＳＢ２．０协议的ＰＣ机）、内部包含ＣＰＵ及高速缓存的ＵＳＢ接口控制芯片（ＣＹ７Ｃ６８０１３）和高速同步采样芯片（ＭＡＸ１１５），如图１所示。其数据传输分两部分：控制信号传输和采集数据传输。控制信号方向为由主机到外设，由外设ＣＰＵ控制，数据量较小；采集到的数据由外设到主机，数据量较大。为了保证较高的传输速度，不经过ＣＰＵ。系统基本操作过程为：主机给外设一个采样控制信号，ＦＸ２根据该信号向Ａ／Ｄ转换器送出相应控制信号，即采样模式控制字；之后由Ａ／Ｄ转换器自主控制转换，并将各通道采样数据存入其片内缓存。一旦转换完成，由Ａ／Ｄ的完成位向ＦＸ２的可编程控制接口发读采样结果信号；然后由可编程接口的控制逻辑依次将各通道采样结果从Ａ／Ｄ的缓存读入ＦＸ２的内部ＦＩＦＯ。当ＦＩＦＯ容量达到指定程度后，自动将数据打包传送给ＵＳＢ总线。期间所有操作不需要ＣＰＵ的干预。采样过程中接口控制逻辑依次取走批量数据，在打包传送时Ａ／Ｄ仍持续转换，内部ＦＩＦＯ也持续写入转换结果。只要内部ＦＩＦＯ写指针和读指针位置相差达到指定的值就立即取走数据。从而保证了同步连续高速采集的可靠性。

２ 硬件部分

２．１ 芯片介绍

ＣＹ７Ｃ６８０１３属于Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＦＸ２系列产品，它提供了对ＵＳＢ２．０的完整解决方案。该芯片包括带８ＫＢ片内ＲＡＭ的高速ＣＰＵ、１６位并行地址总线＋８位数据总线、Ｉ２Ｃ总线、４ＫＢ ＦＩＦＯ存储器以及通用可编程接口（ＧＰＩＦ）、串行接口引擎（ＳＩＥ）和ＵＳＢ２．０收发器。在代码的编写上，与８０５１系列单片机兼容，且速度是标准８０５１的３～５倍。

ＣＹ７Ｃ６８０１３与外设有两种接口方式：可编程接口ＧＰＩＦ和Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ。

可编程接口ＧＰＩＦ是主机方式，可以由软件设置读写控制波形，灵活性很大，几乎可以对任何８／１６ ｂｉｔ接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写，使用非常灵活。Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ方式是从机方式，外部控制器可象对普通ＦＩＦＯ一样对ＦＸ２的多层缓冲ＦＩＦＯ进行读写。ＦＸ２的Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ工作方式可设为同步或异步；工作时钟为内部产生或外部输入可选；其它控制信号也可灵活地设置为高有效或低有效。笔者在设计中采用主机方式。

ＭＡＸ１１５是美信公司的高速多通道同步采样芯片。含有两组４路同步通道，共８个输入端。采样精度为１２位，采样模式由采样控制字决定，可灵活地在两组中的１～４个通道间选择。采样时，各通道转换结果先存入其内部相对应的４个１２ｂｉｔ存储单元，各通道都转换完后再一起取走。

２．２ 电路原理及设计

考虑ＣＹ７Ｃ６８０１３与ＭＡＸ１１５接口时，采样模式不同，控制波形有所差别，笔者选择主机方式即可编程控制接口（ＧＰＩＦ）。

ＧＰＩＦ是ＦＸ２端点ＦＩＦＯ的内部控制器。在这种方式下，接口内核可产生６个控制输出端（ＣＴＬ０～ＣＴＬ５）和９根线的地址（ＧＡＤＲ[８:０])输出，同时可以接收６个外部输入(ＲＤＹ０～ＲＤＹ５)和２个内部输入。ＦＸ２有４个波形描述符控制各个状态。这些波形描述符可以动态地配置给任何一个端点ＦＩＦＯ。例如，一个波形描述符可以配置为写ＦＩＦＯ，而另一个配置为读ＦＩＦＯ。ＦＸ２的固件程序可以把这些描述符配置给四个ＦＩＦＯ中的任意一个，配置后，ＧＰＩＦ将依据波形描述符产生相应的控制逻辑和握手信号给外界接口，满足向ＦＩＦＯ读写数据的需要。ＧＰＩＦ的数据总线既可以是单字节宽（８位ＦＤ[７:０]）也可以是双字节宽（１６位ＦＤ[１５:０]）。每个波形描述符包含了Ｓ０～Ｓ６ 七个有效状态和一个空闲状态。在每个有效状态对应的时间段里，经过预先设置，ＧＰＩＦ可以做以下几件事情：（１）驱动（使为高或低）或悬浮６个输出控制端；（２）采样或驱动ＦＩＦＯ的数据总线；（３）增加ＧＰＩＦ地址总线的值；（４）增加指向当前ＦＩＦＯ指针的值；（５）启动ＧＰＦＩＷＦ(波形描述符)中断。除此之外，在每个状态，ＧＰＩＦ可以对以下几个信号中任意两个进行采样，它们是：（１）ＲＤＹＸ输入端；（２）ＦＩＦＯ状态标志位；（３）内部ＲＤＹ标志位；（４）传输计数中止标志位。把其中两个信号相与、相或或者相异或，根据结果跳转到其它任意一个状态或延迟１～２５６个ＩＦＣＬＫ时钟周期。当然也可以根据输入端的信号进行跳转或延迟。ＧＰＩＦ波形描述符通常用Ｃｅｐｒｅｓｓ公司的ＧＰＩＦ工具(ＧＰＩＦＴＯＯＬ)进行配置。它是一个可运行于Ｗｉｎｄｏｗｓ平台的应用程序，与ＦＸ２的开发包一起发布。

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    在这种方式下，所有的读写及控制逻辑通过ＣＹ７Ｃ６８０１３ 的ＧＰＩＦ以软件编程的方式实现，且控制逻辑的变换方便灵活（只需要改变接口的一个配置寄存器的值）。电路连接如图２所示。

本数据采集系统只用到了两个输出控制ＣＴＬ０、ＣＴＬ１和一个外部输入ＲＤＹ０，它们分别接ＭＡＸ１１５的ＣＯＮＶＳＴ＃、ＷＲ＃和ＩＮＴ＃。数据总线用双字节，其中ＦＤ０～ＦＤ１１接ＭＡＸ１１５的数据输入端Ｄ０～Ｄ１１，ＦＤ１２和ＦＤ１３接控制字输入端的Ａ２和Ａ３，ＦＤ０和ＦＤ１复用做控制字输入端的Ａ０和Ａ１。ＭＡＸ１１５的采样基准时钟由ＦＸ２的输出时钟经三分频得到，为１６ＭＨｚ。对应四种数据传输方式（八种不同的采样模式），ＧＰＩＦ的控制及握手信号波形有所不同。四通道同步采样的时序图如图３所示。

在第一个判决点，若采样数据已准备就绪，ＭＡＸ１１５传给ＧＰＩＦ一个负脉冲信号ＲＤＹ０；根据此信号，波形按顺序转入２、３、４、５状态，使指向内部ＦＩＦＯ的指针在每个时钟上升沿加１，依次读取四个数据，取完数据后利用ＣＴＬ０的上升沿启动下一次采样。若在状态１时没有出现负脉冲，则直接跳转到状态６，之后重复执行此波形描述符。

三通道同步采样时，读取数据的状态只需要持续三次。其它采样模式控制波形的设计依此类推。

２．３ 固件程序设计

固件程序是指运行在设备ＣＰＵ中的程序。只有在该程序运行时，外设才能称之为具有给定功能的外部设备。固件程序负责初始化各硬件单元，重新配置设备及Ａ／Ｄ采样控制。固件代码的存储位置有三种：第一种是存在主机中，设备加电后由驱动程序把固件下载到片内ＲＡＭ后执行，即“重新枚举”；第二种方法是把固件代码固化到一片ＥＥＰＲＯＭ中，外设加电后由ＦＸ２通过Ｉ２Ｃ总线下载到片内ＲＡＭ后自动执行；最后一种方法是把程序固化到一片ＲＯＭ中，使之充当外部程序存储器，连在ＦＸ２三总线上。笔者选用第一种方式，这种方式便于系统的调试和升级。固件程序框图如图４所示。

３ 用户程序和驱动程序

３．１ 驱动程序的编写

该系统需要两个驱动程序，即通用驱动和下载固件的驱动。通用驱动完成与外设和用户程序的通信及控制；而下载固件的驱动则只负责在外设连接ＵＳＢ总线后把特定的固件程序下载到ＦＸ２的ＲＡＭ中，使ＦＸ２的ＣＰＵ重启，模拟断开与ＵＳＢ总线的连接，完成对外设的重新设置。主机根据新的设置安装通用驱动程序，重新枚举外设为一个新的ＵＳＢ设备。

通用驱动程序一般不需要重新编写，用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司已经编好的驱动ｅｚｕｓｂ．ｓｙｓ；而下载固件的驱动则必须定做，其详细操作过程见参考文献[２]。

３．２ 用户程序的编写

用户程序是系统与用户的接口，它通过通用驱动程序完成对外设的控制和通信。在编写用户程序时，首先要建立与外设的连接，然后才能实施数据的传输。启动采样后，为了保证不丢失数据，用户程序应该建立一个新的工作线程专门获取外设传来的数据。程序中主要用到两个ＡＰＩ函数：ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ ()。ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）取得设备句柄后，ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ ()根据该句柄完成数据传输。程序代码简要如下：

ｈＤｅｖｉｃｅ ＝ ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ(″＼＼＼＼．＼＼ＥＺＵＳＢ－０″)

ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＲＥＡＤ ｜ ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＷＲＩＴＥ,

ＦＩＬＥ＿ＳＨＡＲＥ＿ＷＲＩＴＥ,

ＮＵＬＬ,

ＯＰＥＮ＿ＥＸＩＳＴＩＮＧ,

ＦＩＬＥ＿ＡＴＴＲＩＢＵＴＥ＿ＮＯＲＭＡＬ,

ＮＵＬＬ);

Ｉｆ (ｈＤｅｖｉｃｅ ＝＝ ＩＮＶＡＬＩＤ＿ＨＡＮＤＬＥ＿ＶＡＬＵＥ)

{

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－＞ＭｅｓｓａｇｅＢｏｘＡ(“无法创建设备，请确认设备是否连上！”,ＮＵＬＬ,ＩＤＯＫ);

}

ｅｌｓｅ

{

ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ (

ｈＤｅｖｉｃｅ,

ＩＯＣＴＬ＿ＥＺＵＳＢ＿ＢＵＬＫ＿ＷＲＩＴＥ,

＆ｂｌｋｃｔｌ,

ｓｉｚｅｏｆ(ＢＵＬＫ＿ＴＲＡＮＳＦＥＲ＿ＣＯＮＴＲＯＬ),

＆ｉｎＢｕｆｆｅｒ, ／／定义的数据缓冲区

ｓｉｚｅｏｆ(ｉｎＢｕｆｆｅｒ),

＆ｎＢｙｔｅｓ,

ＮＵＬＬ);

……

}

程序框图如图５所示。

在该高速同步数据采集系统的设计中，ＣＹ７Ｃ６８０１３芯片灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件的设计，提高了系统的可靠性，也利于ＰＣＢ板的制作与调试。另外，ＵＳＢ设备的可热插拔特性使得该系统具有便携式的特点，使用方便，无需关机重启或打开机箱进行安装。该数据采集系统已成功地应用于某型雷达的便携式故障检测与维修系统，取得了良好的效果。