基于USB通信的FPGA高速数据采集系统

EZ-USB FX2LP拥有非常独特的结构，其串行接口引擎(SIE)负责完成串行数据的解码、差错控制、位填充等与USB有关的功能。串行接口引擎(SIE)能够实现大部分的功能，从而减轻了嵌入式增强型8051的负担，简化了USB固件程序的开发。

2 系统软硬件实现
2．1 A／D转换
系统通过PINFET光电转换为单端模拟信号，而A／D转换器AD7356是差分输入方式，所以需要对输入方式进行转换。AD7356说明书中给出了详细的转换电路，按说明连接即可。由于AD7356供电电源为2．5 V，所以和FPGA之间的连接需要调整AD7356的信号电平，使得输出电平与FPGA的3．3 V电平兼容。在电路设计时，可以通过将AD7356的Vdriver引脚连接到3．3 V，这样使得输出信号电平为3．3 V。
系统采用的AD7356采样频率由输入时钟信号决定，而采样通过使能引脚CS控制。在设定好采样频率后，A／D转换程序主要依靠对CS信号控制，并对输入得两路信号串并转换即可。
2．2 数据缓存
数据缓存主要是利用FPGA内自带的块RAM对多路信号进行排序、存储，然后按USB数据包大小打包传输，因此对于硬件(FPGA)不再多做介绍。
数据缓存的软件实现主要依靠FPGA内的双口RAM IP核。双口RAM由于有2个单独的数据输入和输出口，所以可以调节输入输出端口的速度，使得数据读取与输入速度可以方便的控制。另外，由于本系统有多路光信号，所以FPGA内还需要对各个双口RAM的读取进行控制，对各路信号读取顺序进行，其软件结构图如图3所示。每路A／D都有两个RAM轮流存储采集数据，一方面避免RAM出现数据溢出，保证数据不丢失；另一方面可以通过将RAM大小设定与USB数据包大小一致，使USB传输的控制简单。

2．3 USB通信
在系统中，USB控制器被配置为SlaVe FIFO模式，CY7C68013A Slave模式接口引脚的连接如图4所示，这样FPGA可以将USB控制器当成FI-FO来控制，而不用考虑USB标准的各种规则。而USB控制器则将USB标准的各种规则通过许多特殊寄存器来设置，将USB控制简化。
因此，此部分的软件实现包括2个部分。从图4可以看出，FPGA对各RAM轮流读取数据，由于RAM大小与USB数据包大小设定一致，直接把数据送入CY7C68013A即可。而FPGA把CY7C68013A当成FIFO来控制，所以该部分程序比较简单。而CY7C68013A内程序设计主要是通过固件程序对传输速度、传输方式、传输模式等进行设置。

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。系统把固件代码固化到1片E2PROM中，外设加电后由FX2通过I2C总线下载到片内RAM中自动执行。固件架构是由Keil C51编译器与其整合开发工具所编写和构建。其主要文件包括：fw．c负责设备连接、重枚举、设备初始化；periph．c负责响应各种中断事件，是主要的用户函数应用代码；gpif．c含有GP IF波形描述符表，可以实现波形的传输；dscr．a51文件定义USB设备握手时需要的各种描述符；fx2．h定义各种二级中断向量和描述符的数据结构；fx2 regs．h定义USB单片机中所有的寄存器。
USB支持4种传输类型：控制传输、中断传输、等时传输、批量传输。批量传输可以是双向的，也可以是单向的。它特别适合大数据量的传输，而且它对传输的准确性要求较高。因此，通过固件程序设定本系统采用Slave FIFO模式，批量(BULK)传输方式进行数据传输。

3 实验结果
为了方便实验，使用耦合器将一路光信号分为16路相同的信号，这样所有采集到的信号波形基本相同。实验时，AD7356设定为1 MHz采样速率，USB数据包大小为512 Kb，CY7C68013A采用异步SlaveFIFO模式发送数据，上位机采用Cypress公司自带的EZ-USB Interface软件采集实验数据。采集到的信号如图5所示，系统在16．7 Mb／s的传输速率下工作正常。