基于USB2.0的高速同步数据采集系统设计

　　简介：介绍基于USB2.0协议、最多可四路同步采样的高速同步数据采集系统。其单通道采样速度620ksps,四通道同时采样速度可达180ksps。USB接口控制及通信芯片采用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。
　　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。
　　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。