基于USB2.0与FPGA技术的高速数据采集系统的设计

握手完毕后，设置中断标志并申请中断。在用户的任务中发现有数据接收的标志，就可以读出ISP1581中的数据。而ISP1581向主机发送数据时，首先是主机发送一个IN类型的令牌发起一次传输，如果此时ISP1581相应端点的FIFO非空，则立即发送数据，然后向单片机申请中断，响应中断以后如果还有数据要发送，则应该向ISP1581的FIFO中写入数据，否则直接清空中断标志即可。主机和数据采集器之间的握手配合要事先设计好。

根据输入传输要求，在具体的设计中，除了主数据传输端点外，还配置了一个数据缓冲区为64字节的、工作于中断传输方式的端点作为命令端口，负责与主机进行通信握手。如果主机想从设备读取数据，则首先发送一个读取命令，单片机接收到该命令后，就向主数据端点的FIFO中写入数据，随后主机发出读数据令牌，正好有数据可以发送。通过命令端口还可以发送各种命令，控制数据采集器动作。

3 FPGA数据采集模块设计

　　3.1 模块划分
　　
　　FPGA模块划分为A/D接口、FIFO、单片机接口、DMA接口控制、主控制器等模块，其中设置了一些可以单片机写入的寄存器。A/D的采集速度，FIFO的空、满、数据写入、读出速度都可以灵活配置。整个模块以Verilog语言写成，稍加修改可以同各种A/D芯片接口。整个设计在Altera公司的Cyclone系列的EP1C12中完成。在ACEX1K系列EC1K100器件上也可以实现，工作时钟频率为50MHz。

为了提高系统的灵活性，在信号的调理、滤波模块中使用了Lattice公司的ispPAC80可编程滤波器作为输入滤波器，可以灵活地设定抗混叠滤波器的截止频率，最大截至频率可以达到750kHz，完全可以满足一般中、高频信号的滤波。FPGA作为A/D控制器可以同多种A/D芯片接口，本设计中使用了TI公司的10位高速A/D芯片TLC876。芯片工作于流水线方式，最高采样速率为20MSPS。

　　3.2 与单片机及ISP1581的接口

FPGA在与单片机信号的接口过程中，使用了同步设计的方法。即首先对单片机的I/O信号进行采样同步化，获得各信号上升、下降沿的时刻，输出同步脉冲，然后在这些时刻点处根据同步脉冲的出现与否来控制系统进行动作。这种设计的优点是可以在设计中采用同步状态机，以获得较高的运行速度和稳定的工作性能。这也是ALTERA、XILINX等公司的FPGA数字系统设计中所推荐使用的方法。

为了提高FPGA中的FIFO与ISP1581中的数据存储器的数据交换速度，FPGA与ISP1581之间采用DMA方式进行数据交换。

ISP1581有两种工作方式，由BUS_CONF、MODE0、MODE1三根引脚控制：

(1)如果上电时检测到BUS_CONF引脚为低电平，则工作于分裂总线方式（Split Bus Mode）。ISP1581具有8-bit地址/数据复用总线和16-bit的DMA专用数据线。此时MODE1引脚如果为低电平，则可以将芯片的ALE/A0引脚与89X51的ALE脚直接相连，进行地址/数据总线复用；而如果MODE1为高电平，则ALE/A0脚要接其他的89X51引脚，由用户编程将ALE/A0脚拉高/低进行地址/数据复用，而MODE0脚在这种方式下没有使用或作为其他用途。

(2)如果上电时检测到BUS_CONF引脚为高电平，则工作于通用处理器方式（Generic Processor Mode）。此时MODE1脚没有使用（可接Vcc），MODE0引脚则可接低/高电平，这样可以使芯片的读/写引脚分别符合Motorola/89X51微处理器的读写规范。所以让ISP1581芯片工作于分裂总线方式可以方便地与8051系列单片机接口，其AD[7:0]作为数据/地址总线复用，RD、WE、ALE分别为读、写、地址锁存线，DATA[15:0]作为DMA数据总线使用。

ISP1581芯片中与DMA相关的引脚有DREQ、DACK、DIOR、DIOW。DMA传输前必须设定工作模式、初始化DMA相关寄存器，然后对DMA命令寄存器写入一个命令便可以启动DMA传输。传输模式有主、从、IDE、ATA等方式。通用数据采集系统比较适合采用从模式，在这种模式下，单片机接收到主机发来的开始采集命令后，立即命令FPGA启动采样，然后命令ISP1581启动DMA传输，ISP1581将DREQ引脚拉高，表示请求数据，此时FPGA将数据准备好后，拉低DACK引脚，待准备好数据后，在DIOR线上产生读脉冲，供ISP1581将数据读入内部FIFO。DMA也可以使用主模式，此时读脉冲DIOR由ISP1581产生。DMA工作时序图如图6所示。

4 PC机多线程数据采集程序设计

USB的数据传输使用了虚拟管道的概念，可以同时接入127个设备。每个设备可以拥有若干个端点，每个端点可以跟主机组成一个连接，构成一个通信的最小实体。在数据传输过程中，只要带宽允许，主机可以同时跟几个端点通信，因此要求在主机的应用程序中开启多个线程进行通信。在本设计中，采用了命令端点和