基于USB2.0的高速同步數據采集系統設計
摘要：介紹基于USB2.0協議、最多可四路同步采樣的高速同步數據采集系統。其單通道采樣速度620ksps，四通道同時采樣速度可達180ksps。USB接口控制及通信芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013，通過對其可編程接口控制邏輯的合理設計和芯片內部FIFO的有效運用，實現了數據的高速連續采樣。ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）總線是ＩＮＴＥＬ、ＮＥＣ、ＭＩＣＲＯＳＯＦＴ、ＩＢＭ等公司聯合提出的一種新的串行總線接口規范。為了適應高速傳輸的需要，２０００年４月，這些公司在原１．１協議的基礎上制訂了ＵＳＢ２．０傳輸協議，已超過了目前ＩＥＥＥ１３９４接口４００Ｍｂｐｓ的傳輸速度，達到了４８０Ｍｂｐｓ。ＵＳＢ總線使用簡單，支持即插即用ＰｎＰ（Ｐｌｕｇ Ａｎｄ Ｐｌａｙ），一臺主機可串連１２７個ＵＳＢ設備。設備與主機之間通過輕便、柔性好的ＵＳＢ線纜連接，最長可達５ｍ，使設備具有移動性，可自由掛接在具有ＵＳＢ接口的運行在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／ＮＴ平臺的ＰＣ機上。ＵＳＢ總線已被越來越多的標準外設和用戶自定義外設所使用，如鼠標、鍵盤、掃描儀、音箱等。
筆者結合設備檢測中數據采集的實際需要，設計了該高速同步數據采集系統。該系統最多可四路同步采樣，單通道采樣速度可達６２０ｋｓｐｓ，四通道同時采樣速度可達１８０ｋｓｐｓ。ＵＳＢ接口控制芯片采用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司ＦＸ２系列中的ＣＹ７Ｃ６８０１３，通過對其可編程接口控制邏輯的合理設計和芯片內部ＦＩＦＯ的有效運用，實現了數據的高速連續采樣和傳輸。
１ 基本原理
該采集系統總體框架分三部分：主機（能支持ＵＳＢ２．０協議的ＰＣ機）、內部包含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。其數據傳輸分兩部分：控制信號傳輸和采集數據傳輸。控制信號方向為由主機到外設，由外設ＣＰＵ控制，數據量較小；采集到的數據由外設到主機，數據量較大。為了保證較高的傳輸速度，不經過ＣＰＵ。系統基本操作過程為：主機給外設一個采樣控制信號，ＦＸ２根據該信號向Ａ／Ｄ轉換器送出相應控制信號，即采樣模式控制字；之后由Ａ／Ｄ轉換器自主控制轉換，并將各通道采樣數據存入其片內緩存。一旦轉換完成，由Ａ／Ｄ的完成位向ＦＸ２的可編程控制接口發讀采樣結果信號；然后由可編程接口的控制邏輯依次將各通道采樣結果從Ａ／Ｄ的緩存讀入ＦＸ２的內部ＦＩＦＯ。當ＦＩＦＯ容量達到指定程度后，自動將數據打包傳送給ＵＳＢ總線。期間所有操作不需要ＣＰＵ的干預。采樣過程中接口控制邏輯依次取走批量數據，在打包傳送時Ａ／Ｄ仍持續轉換，內部ＦＩＦＯ也持續寫入轉換結果。只要內部ＦＩＦＯ寫指針和讀指針位置相差達到指定的值就立即取走數據。從而保證了同步連續高速采集的可靠性。
２ 硬件部分
２．１ 芯片介紹
ＣＹ７Ｃ６８０１３屬于Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＦＸ２系列產品，它提供了對ＵＳＢ２．０的完整解決方案。該芯片包括帶８ＫＢ片內ＲＡＭ的高速ＣＰＵ、１６位并行地址總線＋８位數據總線、Ｉ２Ｃ總線、４ＫＢ ＦＩＦＯ存儲器以及通用可編程接口（ＧＰＩＦ）、串行接口引擎（ＳＩＥ）和ＵＳＢ２．０收發器。在代碼的編寫上，與８０５１系列單片機兼容，且速度是標準８０５１的３～５倍。
ＣＹ７Ｃ６８０１３與外設有兩種接口方式：可編程接口ＧＰＩＦ和Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ。
可編程接口ＧＰＩＦ是主機方式，可以由軟件設置讀寫控制波形，靈活性很大，幾乎可以對任何８／１６ ｂｉｔ接口的控制器、存儲器和總線進行數據的主動讀寫，使用非常靈活。Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ方式是從機方式，外部控制器可象對普通ＦＩＦＯ一樣對ＦＸ２的多層緩沖ＦＩＦＯ進行讀寫。ＦＸ２的Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ工作方式可設為同步或異步；工作時鐘為內部產生或外部輸入可選；其它控制信號也可靈活地設置為高有效或低有效。筆者在設計中采用主機方式。
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個輸入端。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個通道間選擇。采樣時，各通道轉換結果先存入其內部相對應的４個１２ｂｉｔ存儲單元，各通道都轉換完后再一起取走。
２．２ 電路原理及設計
考慮ＣＹ７Ｃ６８０１３與ＭＡＸ１１５接口時，采樣模式不同，控制波形有所差別，筆者選擇主機方式即可編程控制接口（ＧＰＩＦ）。
ＧＰＩＦ是ＦＸ２端點ＦＩＦＯ的內部控制器。在這種方式下，接口內核可產生６個控制輸出端（ＣＴＬ０～ＣＴＬ５）和９根線的地址（ＧＡＤＲ[８:０])輸出，同時可以接收６個外部輸入(ＲＤＹ０～ＲＤＹ５)和２個內部輸入。ＦＸ２有４個波形描述符控制各個狀態。這些波形描述符可以動態地配置給任何一個端點ＦＩＦＯ。例如，一個波形描述符可以配置為寫ＦＩＦＯ，而另一個配置為讀ＦＩＦＯ。ＦＸ２的固件程序可以把這些描述符配置給四個ＦＩＦＯ中的任意一個，配置后，ＧＰＩＦ將依據波形描述符產生相應的控制邏輯和握手信號給外界接口，滿足向ＦＩＦＯ讀寫數據的需要。ＧＰＩＦ的數據總線既可以是單字節寬（８位ＦＤ[７:０]）也可以是雙字節寬（１６位ＦＤ[１５:０]）。每個波形描述符包含了Ｓ０～Ｓ６ 七個有效狀態和一個空閑狀態。在每個有效狀態對應的時間段里，經過預先設置，ＧＰＩＦ可以做以下幾件事情：（１）驅動（使為高或低）或懸浮６個輸出控制端；（２）采樣或驅動ＦＩＦＯ的數據總線；（３）增加ＧＰＩＦ地址總線的值；（４）增加指向當前ＦＩＦＯ指針的值；（５）啟動ＧＰＦＩＷＦ(波形描述符)中斷。除此之外，在每個狀態，ＧＰＩＦ可以對以下幾個信號中任意兩個進行采樣，它們是：（１）ＲＤＹＸ輸入端；（２）ＦＩＦＯ狀態標志位；（３）內部ＲＤＹ標志位；（４）傳輸計數中止標志位。把其中兩個信號相與、相或或者相異或，根據
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