基于USB2.0与FPGA技术的高速数据采集系统的设计

近年来笔记本电脑迅速普及和更新，其中大部分已经不配置RS232接口，而USB接口已成为今后一段时间PC机与外设接口的主流。本采集系统的设计构建了一个基于USB接口的多功能通用数据采集、传输平台，将嵌入式系统的实时性、灵活性和PC机强大的数据存储、处理、显示功能结合起来。该采集系统在智能仪器仪表、测控系统、工控系统等领域有广阔的应用前景。

1 系统总体结构设计

　　1.1 系统总体结构

系统总体结构框图如图1所示，系统包括：单片机与USB接口模块、FPGA模块、信号调理及A/D模块。其中，单片机外围电路相对简单，整个系统主要通过PC机的程序界面控制操作；USB接口负责与PC机通信；FPGA模块负责完成数据的采集与缓存。

1.2 单片机与USB接口模块

本设计的目的是构建以PC机为平台的数据采集系统，单片机的功能仅限于接收PC机的命令、控制FPGA工作。PC机作为整个系统的人机界面，控制整个数据采集系统进行采集、存储和处理。由此单片机可以选择低成本的8XC51系列。为了提高系统的灵活性，采用单片机与USB接口芯片分离的方案，选择Philip公司的ISP1581 USB2.0接口芯片。该芯片与8XC51系列单片机的接口非常简单，可以极大地降低系统成本。

　　1.3 FPGA模块

采用FPGA进行采样控制的最大特点是系统具有重构性和通用性。设计中采用了Altera公司的低成本FPGA的Cyclone系列（实际试验时，在更便宜的Acex1k器件上也可以实现），控制高速A/D芯片以20MSPS的速度采样。FPGA模块的设计具体包括FIFO、单片机接口、A/D控制接口、DMA控制模块和主控制器等子模块的设计。

　　1.4 PC机端软件平台

PC机采集程序使用VC++实现，直接调用Philips公司提供的驱动程序进行数据读写，大大降低了开发难度与风险。本设计中，PC机端软件设计包括应用程序的界面设计、多线程数据采集、存储与处理模块的设计，以及与USB底层驱动程序的通信动态链接库的设计。

2 USB接口模块设计

　　2.1 USB接口芯片

USB接口芯片ISP1581具有体积小、高速、与单片机的接口相对简单等特点。除了控制端点外，ISP1581还有7个输入（IN）端点和7个输出（OUT）端点。每个端点可以灵活配置数据传输方式以及数据缓存区（FIFO）的大小，端点FIFO最大容量可以达到2KB。ISP1581芯片在配置枚举时需要单片机固件的支持，一旦正确完成了配置和驱动加载，单片机对于ISP1581芯片就如同普通存储器一样可以进行读写操作，以发送或接收数据。

　　2.2 固件编程

USB通信完全由PC主机发起。在这种结构下，固件总是一直在等待主机命令，再根据命令去执行相应的程序。固件的基本思想是采用模块化设计，分成 main.c等7个模块。ISP1581固件结构如图2所示。图中，main.c为主循环，isr.c主要负责中断处理，Chap9.c主要负责响应主机的请求。用户的应用程序将来也可以包括在main.c循环中。

2.3  单片机端程序设计

单片机端程序主要包括初始化模块，外围Flash、EEPROM、RAM、液晶显示器、按键等的读写控制模块,USB接口芯片固件模块,A/D采样工作模式、速度以及采样数据的读写的FPGA硬件控制模块等。本设计的指导思想是：充分利用PC机和嵌入式系统的优点，对MCU端的要求尽量简化。具体软件流程示意图如图3所示。

　　USB作为一个通信接口，首先必须完成配置，然后才能进行用户数据的发送/接收，在循环中必须随时检查是否有主机的配置命令。配置枚举过程是USB固件编程当中较为复杂的部分，其流程如图4所示。USB设备接入到主机并被主机识别后，主机首先以默认的地址（00H）发送一个设置（SETUP）包，新接入的设备必须接收此包并响应请求。然后主机会发送输入包读取设备描述符，初步判断设备的属性后，再设置设备的地址，随后再用这个地址读取设备的各种描述符以识别并且配置设备。可见，在设备配置过程中，主机读取的数据较多，设备一旦接收到一个SETUP包之后便会判断主机的请求类型，然后进入请求处理循环等待主机的进一步命令，如果再次收到一个IN令牌便会向控制端点中写入数据，并且根据数据长度再次写端点直到数据发送完毕。USB的标准请求包括读取设备描述符、配置描述符、端点描述符、设置地址、配置设备等，厂商请求由用户自行定义。

ISP1581接收到主机的数据后，将根据相应的情况设置片内的中断寄存器标志中断源，然后向单片机申请中断，中断服务程序流程如图5所示。单片机响应中断后，首先读取中断标志寄存器并判断中断源，然后设置相应的标志。在用户的发送/接收程序中，将根据相应的标志产生相应的动作。例如，主机发送一段数据给ISP1581，ISP1581接收、