基于USB 2．0的同步数据采集系统的设计

l 引 言

　　通用串行总线(Univeisal Serial Bus，USB)凭借其即插即用、热插拔以及较高的传输速率等优点，成为PC机与外设连接的普遍标准。迄今为止，常用的USB总线标准有1998年发布的USB 1．1版本和2000年发布的USB2.0版本。其中1．1版本支持两种传输速率：1．5 Mb／s和12 Mb／s，主要应用在低速传输要求的场合。而USB2.0[1]版本在1．1版本的基础上扩展了以下特点：

　　最高480．Mb／s传输速率，比USB 1．1提高了40倍；全面兼容USB 1．1设备；新的HUB结构成倍地提高USB1．1设备的数据流速度。

　　对于一个基于USB的实时数据采集系统，无论USB芯片还是D／A转换器，都有多种不同的选择方案。考虑到系统的精度、速率等诸元素，笔者在设计时选择了EZ-USB FX2系列中功能较强的CY7C68013A TQFP 128脚封装芯片作为核心控制器，结合模数转化器AD7658，开发了，一套基于USB 2．O的高速同步数据采集系统。

2 CY7C68013A芯片介绍

　　设计系统中的接口芯片选用Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013A[2](128脚)，他包括1个8051处理器，1个串行接口引擎(SIE)，1个USB收发器，8.5 kB片上RAM，4 kB FIFO存储器和1个通用可编程接口(GPIF)。

　　(1)内部集成了一个增强型的51内核，其指令集与标准的8051兼容，并且在多方面有所改进。例如：最高工作频率可达48 MHz，一个指令周期为4个时钟周期，2个UART接口，3个定时计数器，1个1。C接口引擎等。

　　(2)提供了一个串行接、口引擎(SIE)，负责完成大部分USB 2．0协议的处理工作，从而大大减轻了USB协议处理的工作量，并且提供了4 kB的FIFO保证数据高速传输的需要。和以往的USB传输引擎不同的是，68013的内核部分不直接参与FIFO以及传输工作，传输与控制部分脱离，大大提高了总线传输的速度，这也是本系统的特点之一。

　　(3)为实现与各种不同外设的互连，芯片中集成了一个GPIF模块，使用户可按照外设的时序进行波形编辑，而不需要复杂的程序描述，就可以保证GPIF与内部FIFO的协调工作，实现芯片与高速外围设备之间的逻辑连接和高速数据传输。这对于开发者来说是相当友好的。笔者就是利用这一特性，实现数据的高速同步采集及传输。

3 同步高速数据采集芯片AD7658

3．1 AD7658 [3]的结构

　　AD7658是AD公司推出的高速、6通道、低功耗、双极性12位的A／D转换芯片，其内部结构如图2所示，其主要特点是：6个独立的快速ADC模块(允许同时采样和转换6路信号)；正确的双极模拟输入；最高的速度：250 KSPS;低功率：5 V的电源以250 KSPS速度运行下，功率是400 mW；串行和并行接口；高速串行接口；兼容SPI／QSPI／DSP接口；节电模式时最大消耗5μA；64LQF、P封装。

3．2 AD7658的控制时序

　　前面已经提到AD7658可以采用并行接口或者高速的串行接口，在本文中，我们采用并平行接口。在USB2．0同步高速数据采集器中他的控制时序，是利用GPIF实现图3所示的时序控制。

　　其中CONVST 是转换开始启动信号，下降沿触发3路．ADC开始装换；BUSY信号在CONVST信号触发后；变成并保持为高电平状态，直到3路ADC转换完毕，才又回到低电平；CS信号和RD信号分别是芯片使能信号以及读允许信号。两者第一次同为低电平时，读出第一组ADC转换的数据；在第二次为高电平时，读出第二组ADC转换的数据。

4 USB高速数据采集的硬件设计

　　实际信号经过传感器，转转成电信号，而后进行信号调理，达到AD7658可以输入的信号范围，之后在GPIF模块的控制下，由AD7658对其进行等间隔采样，然后将采样结果通过GPIF 传送到CY7C68013A的内部FIFO中缓存；当采集一定量的数据CY7C68013A自动将数据打包(不需要8051的介入)，通过USB总线传输到PC机中进行数据处理。

5 USB高速数据采集软件设计

　　该系统的软件设计主要包括两部分，一部分是固件设计，另一部分是驱动和应用程序。

5．1 固件设计

　　固件是运行在CY7C68013A上的程序，本系统采用C51语言来编程设计，其主要功能是控制CY7C68013接收并处理USB驱动程序的请求(如请求设备描述符、请求或设置设备状态，请求或设置设备接口等USB 2．0标准请求)、控制CY7C68013A接收应用程序的控制指令、通过cY7C6801 3A存放数据并实时上传至PC等。

　　本方案中的固件设计思路是：在Cypress公司自己提供的固件开发软件平台上，结合该固件工程所提供的FW．C，BULK．C，DSCR．A51，FX2．H，FX2REGS．H等文件，运用高级语言C51进行编程。固件程序的载入方式为：使用CY7(268013A特有的软配置功能。将固件程序存储到计算机中，当没备接入USB电缆时，通过Cypress公司提供的开发软件Usb Control Pariel的Download项，将固件载入到控制芯片中。