具有USB2.0接口的高速数据采集卡设计_接口电路论文
关键词：usb2.0 fpfo fpga 固件程序 主从系统
引言
数据采集在现代工业生产及研究中的重要地位日益突出，并且实时高速数据采集的要求也不断提高。在信号测量、图像处理、音频信号处理等一些高速、高精度的测量中，都需要进行高速数据采集。现在通用的高速数据采集卡一般多是pci卡或isa卡，这些采集卡存在很多缺点，比如安装麻烦，价格昂贵，尤其是受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差。
通用串行总线usb是用来连接外围设备与计算机之间的新式标准接口总线。它是一种快速、双向、同步传输、廉价的并可以实现热拔插的串行接口。usb技术是为实现计算机和通信集成而提出的一种用于扩充pc体系结构的工业标准。基于usb接口的高速数据采集卡，充分利用了usb总线的优点，它也必将被越来越多的用户所接受。
1 usb数据采集卡原理
1.1 usb简介
usb是universal serial bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它支持在主机与各式各样即插即用的外设之间进行数据传输。它由主机预定传输数据的标准协议，在总线上的各种设备分享usb总线带宽。当总线上的外设和主机在运行时，允许自由添加、设置、使用以及拆除一个或多个外设。usb总线技术的提出就是想利用单一的总线技术，来满足多种应用领域的需要。usb1.1协议支持两种传输速度，即低速1.5mbps和高速12mbps。为了在高速接口之争中占有一席之地，2000年发布了usb2.0协议，它向下兼容usb1.1协议，数据的最高传输速率提高到480mbps，这就使usb对打印机和其它需要快速传递大容量数据的外设更具吸引力。
为了满足实际数据采集usb传输速度较高的需要，选择了cypress公司的内置usb接口微控制器芯片ezusb fx2系列，开发了具有usb接口的高速数据采集卡。
1.2 系统框图
usb系统是一个主从系统，而非对等（peer-to-peer）系统。在主从系统中，命令是由主设备发出，而从设备只能接收命令，只有在主设备读取数据时，从设备才能提交数据。如图1所示，在usb控制器与外围电路之间需要一个fifo，来充当数据的缓存区。那么，在usb从设备向主设备发送数据时存在一个问题：fifo多大才能满足要求。为了满足数据采集中高速实时流数据垢应用，避免fifo溢出，在我们的系统中，通过fpga及sdram构造一个容量的fifo（图1虚线框内所示），可以提供一个低成本并能满足高速实时流数据传输的解决方案。
图2
2 usb数据采集卡硬件
2.1 ez-usb fx2（cy7c68013）芯片
cypress公司的ez-usb fx2系列芯片是最早符合usb2.0协议的微控制器之一，它集成了符合usb2.0协议的收发器（transceiver），串行接口引擎（sie），增强型的8051内核以及可编程的外围接口。fx2系列芯片独特的结构使得数据传输速度最高可达56mbps，最大限度地满足了usb2.0的带宽。
ez-usb fx2的微处理器是一个增强型的8051内核，性能可达标准8051的5～10倍，并与标准8051的指令完全兼容。增强型的8051内核使用ram世馘 作程序指令和数据存储器，从而使得ez-usb fx2具有“软”特性，也就是说，可以通过自行编写程序指令来实现所需的功能。ez-usb fz2使用增强型sie/usb接口（称为usb核），通过执行usb部本身的协议来简化8051代码编写的工作。这样采用硬件完成usb塄，简化了固件代码的编制。对于固件代码的使用，主机通过软件下载的方法实现。这种方法充分利用fz2内部的8kb ram来装载8051代码和数据。由于ez-usb fz2具有重新枚举的能力，所以在初始化枚举时，用户并不需要断天设备就可以装载新的描述符。设备描述符和8051程序代码都能通过主机中的磁盘文件下载，只有制造商号、产品号和设备号从启动时从一个16字节的eeprom下载到硬件中的。通过这种方式，可以比较容易地从主机升级软件和修改usb总线设备的固件代码。
ez-usb fx2的通用可编程接口gpif以及master/slave端点fifo所对应的8/16位数据总线，可以很容易地实现fx2与当前一些主流通过接口（如ata、utopia、epp、pcmcia和大部分dsp处理器）的互连。它共有7个端点，端点0，端点1和in和out，还有端点2、4、6和8。其中，前3个端点的大小是固定的64字节，后4个端点默认大小是2级512字节的fifo，端点2和端点4默认是out端点，端点6和端点8默认是in端点，而端点2和6分别可以定义为2级、3级或4级的存储器，每级的大小也可以是512字节或1024字节。从ez-usb fx2方向来看，一个端点相当于通过总线收发数据的缓冲区，ez-usb fx2从out缓冲区中读取端点数据，将通过usb传的端点数据写入in缓冲区。它求全责备速（12 mbps）和高速（480 mbps）传输速率，并具有usb协议所规定的4种传输方式，即控制方式（control mode）、中断传输方式（interrupt mode）、批量传输方式（bulk mode）和等时传输方式（isochronous mode）。
ez-usb fx2系列是基于ram的“软”结构，在开发过程中允许无限制设置和升级；它支持全速usb总线吞吐量的传输，使用ez-usb fx2进行设计，可以不受端点数、缓冲区大小和传输速度的限制；此外，其内核中做了大量的辅助指令，简化了编码，同时也加快了对usb特性的了解。基于以上ez-usb fx2系列芯片的特性，在开发的过程中，采用了ez-usb fx2系列中的cy7c68013芯片（128引脚），其简化结构如图2所示。
fx2可配置成三种不同的接口模式ports、gpif master和slave fifo，本项目采用slave fifo模式。在该模式下，外部逻辑或外部处理器直接连接到fx2的端点fifo，gpif没有被激活，因为外部逻辑可以直接控制fifo，所以fifo的基本控制信号（标志、片选、使能）由fx2的引脚引出。外部控制可以是同步或异步，可以使用内部时钟，也可以向fx2的接口提供外部时钟。
2.2 fpga芯片ep1c6-q240
在本设计中，所用的fpga采用altera公司最新的cyclone芯片ep1c6-q240。它是一款高速价比的fpca芯片，工作电压为1.5v，采用0.13μm工艺技术，全铜sram工艺，其存储器密度可达5980个逻辑单元，包含20个128×36位的ram块，总的ram空间达到92160位，内嵌了2个锁相环电路和一个用于连接sdram的特定双数据率（deficated data rate）接口。此外，该芯片还支持多种不同的i/o标准（包括pci接口，可连接assp和asic设备的接口以及串行设备接口等）。
这里fpga的作用除了与sdram构成一个大容量的fifo以外，还需要完成一些控制功能。对于本文的应用，需要完成hdb3码到nrz码的转换及数据的串并转换等。具体问题要具体分析，用户可根据自己的需求对fpga进行编程。
2.3 a/d转换芯片max1180
max1180是maxim公司的双通道105msps、3.3v工作电压、低功耗的高速a/d芯片，采样数据10位电平量化。它是采用差分输入，带有宽带跟踪/保持（track-and-hold）的双通道9级流水线型结构的adcs，如图3所示。实际的芯片包括两个图示的电路，作为输入的两路通道，互不干扰。各路采样信号每半个时钟周期通过一个stage，完成连续转换到数据输出共需5个时钟周期。每个流水线首先通过一个1.5位的快闪adc对输入电码量化，然后再由dac产生一个对应于量化结果的电压并与输入电压作差，输出电压放大2倍后送到下一级流水线处理。a/d-d/a两次变化以及差分处理的目的在于进行差错校正，以保证在流水线上的各个阶段，adc的偏移量得到补偿并且无代码丢失。
2.4 硬件连接
根据系统对数据传输的速度和实时性的要求，配置cy7c68013工作的接口模式为slave fifo模式。当进行数据采集时，硬件连接方式如图4所示。
a/d转换器的采样时钟同时作为cy7c68013的slave fifo模式的读写控制时钟，即cy7c68013的接口时钟连接到ifclk引脚。scwr/slrd是cy7c68013 slave fifo的写使能/读允许信号。fpga向c7c68013 slave fifo提供slave fifo输出允许信号sloe，仅在数据输出时有效。fd[15:0]为16位双向数据总线。fifoadr1：0》为端点fifo选择信号。在数据输入时固定为00，选择的是端点2；在数据输出时固定为10，选择的是端点6。
3 usb数据采集卡软件
软件设计是一个usb设备开发的必备环节。usb应用系统软件设计分为三部分：初始化软件、主机操作系统上的客户驱动程序以及主机应用程序。初始化软件是下载到控制器中的固件代码，它响应各种来自系统的usb标准请求（包括usb设备的枚举、驱动程序的选择加载等），完成连接设备和主机的任务。主机应用软件通过客户驱动程序与系统usbi（usb device interface）进行通信，其主要任务是将采集进来的数据流，根据所需处理功能的要求来完成各种基于windows程序的处理。
3.1 ez-usb fx2的初始化
通过固件程序的调度，主机才能得到设备的描述符以及完成端点数据的传输。对于固件程序的编程，其基本结构如下：
①初始化，包括处理器和外围电路的初始化；
②主函数，包括完成符合设备特定要求的代码；
③中断处理，包括处理各种中断的程序代码。
总的来说，固件程序的编写有两种方式。其一，对于熟悉8051汇编语言的用户来说，可以直接利用汇编语言编写结构紧凑、高效率的固件代码；其二，ez-usb以利用现成的固件程序框架函数，根据设备的需求添加相庆的用户，来完成特定的目的。
为了加快usb接口的开发过程，利用ez-usb fx2提供的一些框架函数来简化用户代码，使用相应端口（端口2输入，端口6输出）利用ez-usb fx2的slave fifo结构采用此处理传输，基本的固件程序框架函数如下：
void td_init(void) //该函数用来完成ez-usb fx2的初始化
{ cpucs=0x10； //工作频率48mhz
ifconfig=0xc3; //决定fx2的工作模式（slave fifo）及相关设置
in07val=bmep2;
out07val=bmep6;//使能端点2输入和端点6输出
…
ep2fifocfg=0x6d;//autoout=0,autoin=1，wordwide=1
syncodelay；
ep6fifocfg=0x75;//autoout=1，autoin=0，wordwide=1
syncdelay； //对端点2和端点6的配置，wordwide=1配置的是使用16位数据线。
ep2cfg=0xea; //端点2：输入、批量传输、最大包字节为1024，双缓冲
syncdelay；
ep6cfg=0xaa; //端点6：输出、批量传输、最大包字节为1024、双缓冲
syncdelay；
}
void td_poll(void) //此函数在设备运行时反复被调用，它包括完成用户任务的函数
{
}
bool td_suspend(void) //该函数在设备进行挂起状态前调用
{
return(true);
}
bool td_resume(void)//设备重启后调用
{
return(true);
}
在整个固件程序中，ez-usb fx2设备上电或复位后，首先对所有的内部状态变量初始化，随后调用td_init()函数，并开中断，此时固件程序不断检测控制端口0是否收到setup包。一旦收到，固件程序就开始调用用户函数td_poll()，其中用户需要完成的功能代码就在td_poll()函数一。调用完成后，重复检测端口0是否收到setup包，若有，继续执行设备请求，调用td_poll（）函数；否则，检测usb核是否有usb挂起事件，若有，调用td_suspend()函数，其返为真时，检测usb核是否有重新开始事件，没有时，设备进入挂起状态，反之，调用td_resume()，进行下一次循环；当td_suspend()函数返回为假时，直接转入下次循环。
此外，固件程序框架中还定义了许多中断处理函数，当用到时可以在相应的九加入自己编写的代码，这样既清晰又便于理解，用户就可以在不用改变整个程序的前提下，仅仅通过改变相应的模块，来实现自己的功能。
3.2 主机软件部分
主机软件部分包括usb客户驱动程序主和机应用程序。usb客户驱程序是支持即插即用功能的标准wdm驱动程序，它为实现控制传输、中断传输和批传输提供了标准接口函数。而主机应用程序的作用在于与操作系统相互作用，当操作系统认为有新设备接入时，就会自动调用相应的设备驱支以。加之该软件需要一个图形用户界面来控制所用的函数，这里采用vc++来编制应用程序，利用createfile得到usb句柄，用deviceiocontrol来向设备驱动程序发送请求，完成在ez-usb fx2中的数据批传输的读取与写入。程序实例如下：
handle devicehandle；
devicehandle=createfile(\\.\ezusb0，generic_write，
file_share_write，null，open_existing，0，null）；
//得到设备ezusb0的句柄
deviceiocontrol (devicehandle,
ioctl_ezusb_bulk_write,
lpvoid lpinbuffer,//；输入数据存储地址指针
sizeof(bulk_transfer_control),
lpvoid lpoutbuffer,//输出数据存储地址指针
dword noutbuffersize，//输出缓存大小
lpdword lpbytesreturned,//接收输出数据字节计数器变量的指针
null）；
//写数据到ez-usb fx2设备
deviceiocontrol(devicehandle,ioctl_ezusb_bulk_read,
lpvoid lpinbuffer,//输入数据存储地址地
sizeof(bulk_transfer_control),
lpvoid lpoutbuffer,//输出数据存储地址批晚霞
dword noutbuffersize,//输出缓存大小
lpdword lpbytesreturned,//接收输出数据字节计数器变量的指针
null）；
//从ez-usbfx2设备中读数据
colsehandle(devicehandle); //关闭usb句柄
结语
本项目的目的是将信号处理电路中输出的信号（i、q两路），通过模数转换，在满足10mbps传输速率的基础上，通过usb接口完成数据写入硬盘的工作。事实证明，基于usb2.0接口的高速数据采集卡完全满足设计要求。可以预见，基于usb2.0接口的高速数据采集卡一定会有广阔的应用空间。